KR20160025023A - Solvent production - Google Patents

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KR20160025023A
KR20160025023A KR1020167002418A KR20167002418A KR20160025023A KR 20160025023 A KR20160025023 A KR 20160025023A KR 1020167002418 A KR1020167002418 A KR 1020167002418A KR 20167002418 A KR20167002418 A KR 20167002418A KR 20160025023 A KR20160025023 A KR 20160025023A
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에드워드 그린
로즈 패트릭 심스
칼-악셀 매그너슨 라랜더
로사 마리아 도밍게스-이스피노자
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그린 바이올로직스 리미티드
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Abstract

본 발명은, 단일 스테이지 공정에서 단상 용매생성 클로스트리디아를 이용하여 용매를 생산하기 위한 공정 및 시스템에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 공정 및 시스템은 단상 용매생성 클로스트리디아를 배양하기 위한 배양 용기의 사용에 관한 것으로서, 클로스트리듐의 세포 성장은, 배양 배지의 제어량 첨가 및/또는 용매의 제어량 제거에 의해 감시되고 최적화된다. 이러한 공정 및 시스템은, 구체적으로, 부탄올, 아세톤, 에탄올 등의 용매를 생산하는 데 이용될 수 있다.The present invention relates to a process and system for producing a solvent using single-phase solvent-produced Clostridia in a single stage process. More specifically, the processes and systems relate to the use of culture vessels for culturing single-phase solvent-produced Clostridia, wherein the cell growth of clostridium is monitored by the addition of controlled volumes of culture medium and / or removal of control volumes of solvent Is optimized. Such processes and systems can be specifically used to produce solvents such as butanol, acetone, ethanol, and the like.

Description

용매 생산{SOLVENT PRODUCTION}Solvent Production {SOLVENT PRODUCTION}

본 발명은, 단일 스테이지 공정에서 단상 용매생성 클로스트리디아(monophasic solventogenic clostridia)를 이용하여 용매를 생산하기 위한 공정 및 시스템에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 공정 및 시스템은 단상 용매생성 클로스트리디아를 배양하기 위한 배양 용기의 사용에 관한 것으로서, 클로스트리듐의 세포 성장은, 배양 배지의 제어량 첨가 및/또는 용매의 제어량 제거에 의해 감시되고 최적화된다. 이러한 공정 및 시스템은, 구체적으로, 부탄올, 아세톤, 에탄올 등의 용매를 생산하는 데 이용될 수 있다.The present invention relates to a process and system for producing a solvent using a monophasic solventogenic clostridia in a single stage process. More specifically, the processes and systems relate to the use of culture vessels for culturing single-phase solvent-produced Clostridia, wherein the cell growth of clostridium is monitored by the addition of controlled volumes of culture medium and / or removal of control volumes of solvent Is optimized. Such processes and systems can be specifically used to produce solvents such as butanol, acetone, ethanol, and the like.

부탄올 발효 공정은, 재생가능한 생체기반 공급원료를 이용하며, 흔히, 주요 화학 산물을 따라 아세톤, 부탄올 및 에탄올(ABE) 발효라 칭한다. 발효는, 1916년 영국에서 최초로 상용화되었으며, 1차 및 2차 세계 대전 동안 전 세계로 확산되었으며, 주로, 군수품용으로 아세톤을 생산하고 페인트 래커용으로 부탄올을 생산하였다. 공정은, 석유 기반 등가물과 비용면에서 경쟁함에 따라 1950년대 미국과 영국에서 인기를 잃게 되었지만, 중국, 러시아, 남아프리카에서는 1980년대까지 인기가 계속되었다. 오늘날에는, 높은 석유 가격, 석유 공급에 대한 관심, 및 온실 가스(GHG) 방출에 대한 환경적 관심 때문에, ABE 발효가 재상용화될 준비가 되어 있다. 발효 경로는, 석유 기반 부탄올, 아세톤 및 수소를 더욱 싸고, 지속가능하며, 환경 친화적인 화학물질로 대체하는 잠재력을 갖는다. 실제로, 중국에 새로운 공장을 투자함으로써 생체-부탄올에 대한 전 세계적인 요구가 활발해졌다. 오늘날까지 200만 달러가 넘는 돈이 투자되어, 설치된 공장에서 0.3M t/년의 용매 용량을 얻게 되었으며 1M t/년까지 확장하려 한다.The butanol fermentation process utilizes renewable bio-based feedstocks and is often referred to as acetone, butanol, and ethanol (ABE) fermentation along with the main chemical products. Fermentation was first commercialized in England in 1916 and spread throughout the world during World War I, mainly producing acetone for munitions and producing butanol for paint lacquers. The process lost its popularity in the United States and Britain in the 1950s as it competed in cost with oil-based equivalents, but continued to be popular in China, Russia and South Africa until the 1980s. Today, ABE fermentation is ready to be re-commercialized due to high oil prices, concerns about oil supply, and environmental concerns about greenhouse gas (GHG) emissions. The fermentation pathway has the potential to replace petroleum-based butanol, acetone and hydrogen with cheaper, more sustainable, environmentally friendly chemicals. In fact, global investment in bio-butanol has become more active by investing in new plants in China. To date, more than two million dollars have been invested to achieve a solvent capacity of 0.3Mt / year in an installed plant and to expand to 1Mt / year.

ABE를 생산하도록 당밀 및/또는 전분의 발효를 위한 전통적인 배치 공정은 수십 년간 실시되어왔다(Jones, D.T. and Woods, D.R. (1986) Microbiol. Rev. 50: 484-524). 통상적으로, 배치 발효는 72시간 동안 약 18g/L의 용매를 생산한다. 발효는, 두 개의 개별적인 스테이지(이상; biphasic)에서 발생하기 때문에, 상당히 오래 걸리는데, 제1 단계는 산이 생산되고 pH가 강하되는 성장 스테이지이고, 제2 단계는 pH를 중화하도록 산들이 용매에 재동화되는 생존 스테이지이다. 세포들도 포자 형성을 준비한다. 대사의 스위치는, 발효 액체배지의 산 농도 및/또는 pH의 강하에 의해 개시된다. 최종 용매 적정농도는 효모 에탄올 발효에 비해 상당히 낮고, 이에 따라, 부피 생산성이 낮다(18/72는 약 0.25g 용매/L/년과 같다). 용매 적정농도는 발효될 수 있는 당의 상당히 적은 양에 의해 제한된다. 낮은 용매 생산성은 전통적인 배치 공정의 주요한 단점이며, 이러한 한계를 극복하고자 많은 시도를 행하였다. 용매 적정농도를 증가시키거나 발효 시간을 감소시키려는 배치-공급 공정을 포함한 배치 배양 공정의 변형예들로 개발되어 왔지만 거의 성공하지 못했다.Traditional batch processes for the fermentation of molasses and / or starch to produce ABE have been conducted for decades (Jones, D. T. and Woods, D. R. (1986) Microbiol. Rev. 50: 484-524). Typically batch fermentation produces about 18 g / L of solvent for 72 hours. Fermentation takes considerably longer because it occurs in two separate stages (ideal: biphasic), where the first stage is the growth stage in which the acid is produced and the pH is lowered, and the second stage is the rejuvenation of the acids in the solvent Is a survival stage. Cells also prepare for sporulation. The switch of metabolism is initiated by the drop in acid concentration and / or pH of the fermentation broth. The final solvent titration is significantly lower than that of the yeast ethanol fermentation, thus resulting in lower volume productivity (18/72 equals approximately 0.25 g solvent / L / year). Solvent titration concentrations are limited by a fairly small amount of sugar that can be fermented. Low solvent productivity is a major drawback of traditional batch processes and many attempts have been made to overcome these limitations. Have been developed with variations of batch culture processes that include batch-feed processes that attempt to increase the solvent titration concentration or reduce the fermentation time, but have been largely unsuccessful.

배치 발효 공정에서 얻어지는 낮은 생산성으로 인해, 수 주 동안 최대 성장 속도에 가까운 성장 속도를 달성하도록 공급 배지의 연속 흐름을 제공하고자 하는, 여러 개의 단일 스테이지 연속 공정들(예를 들어, 상기한 Jones and Woods (1986))이 제안되었으며, 이에 따라 용매 생산 속도를 개선하고 정지 시간(downtime)을 감소시켰다. 그러나, 실제로, 이것은, 이상 용매생성 클로스트리디아로 달성하기에는 어려운데, 그 이유는 용매 생산이 성장에 직접 연결되지 않으며, 배양물이 상당히 낮은 희석 속도에서 세척되어 버리기 때문이다. 세포-재순환 및/또는 고정화를 이용하여 반응기에서 높은 세포 농도를 유지하는 방법들은, 실험실 규모에서 입증되었지만, 상업적 규모로 구현하기에는 어렵다(예를 들어, Qureshi & Maddox (1987), Enz. Microb. Technol. 9(11), 668-67; Maddox (1989) Gen. Eng. Rev., 7, 189-220; Maddox et al. (1993) In: The clostridia and biotechnology, (eds) D.R. Woods, Butterworth-Heinemann, Boston. 343-369; Gapes et al. (1996) Appl. Env. Microbiol. 62: 3210-3219).Several single-stage continuous processes (such as those described in Jones and Woods, supra), which attempt to provide a continuous flow of feed medium to achieve a growth rate close to the maximum growth rate for several weeks due to the low productivity achieved in the batch fermentation process (1986)) have been proposed, thereby improving the solvent production rate and reducing downtime. In practice, however, this is difficult to achieve with ideal solvent-producing Clostridia because solvent production is not directly linked to growth, and the culture is washed at a significantly lower dilution rate. Methods that use cell-recycle and / or immobilization to maintain high cell concentration in the reactor have been proven on a laboratory scale, but are difficult to implement on a commercial scale (e.g. Qureshi & Maddox (1987), Enz. Microb. Technol Maddox (1989) Gen. Eng. Rev., 7, 189-220; Maddox et al. (1993) In: The clostridia and biotechnology, eds DR Woods, Butterworth-Heinemann , Boston, 343-369, Gapes et al., (1996) Appl. Env Microbiol., 62: 3210-3219).

2- 또는 멀티-스테이지 용기에 기초하는 다른 연속적 구성들이 이상 발효를 분리 및 제어하고자 제안되었지만, 용매 생산성을 최대화하도록 유속 및 대응하는 희석 속도를 제어하는 데 어려움으로 인해 어느 것도 성공적이지 못했다(이하 참조). 산생성 및 용매생성 세포들의 혼합된 세포 집단은, 제1 및 제2 스테이지에서 빠르게 축적되어, 성장 및 용매 형성에 있어서 진동을 야기한다. 유속이 제어되지 않는다면 자유로운 세포 현탁을 위해, 이는 통상적으로 성장이 느린 유속에서 느려지거나 덜 최적인 방식으로 진행되면 배양물이 세척되게 한다. 또한, 배양물은 용매를 생산하는 능력을 빠르게 잃어 열화되는 경향이 있다(Woolley and Norris (1990) J. Appl. Bacteriol. 69: 718-728; Jones and Woods, (1986) supra; Kashket and Cao (1995), FEMS Microbiol. Rev., 17, 307-315; Afschar (1990) DE 3905624 A1). Afschar(1990)는, 부탄올과 아세톤 생산을 위한 2-스테이지 당밀 발효 공정을 제안하였으며, 이것은 세포들을 생산하도록 제1 스테이지에서 기질 제한이 있는 화학조절 배양장치(chemostat)를 특징으로 한다. 클로스트리디아를 위한 2-스테이지 연속 배양도 Mutschlechner 등에 의해 제안되었다(J. Mol. Microbiol. Biotechnol. (2000) 2(1):101-105). 이 공정에서, 시스템은, 세포들을 산생성적으로 가능한 한 빠르게 성장시키는 제1 스테이지를 이용한 후 세포들을 '산성 브레이크 포인트'에서 제2 스테이지로 전달함으로써 배치 배양 성장의 두 개의 단계를 모방하도록 설계되었다. 제2 용기는 충분한 체류 시간을 제공하여 용매 생산을 완료하도록 크다. 이러한 예들 모두에 있어서, 제1 스테이지와 제2 스테이지로의 유속은, 일정하게 유지되었고, pH 변화 또는 세포 밀도 등의 임의의 성장 관련 신호에 응답하여 조절되지 않았다.Although other continuous configurations based on 2- or multi-stage vessels have been proposed to isolate and control abnormal fermentation, none have been successful due to difficulties in controlling the flow rate and corresponding dilution rate to maximize solvent productivity ). Mixed cell populations of acid-producing and solvent-producing cells rapidly accumulate in the first and second stages, causing oscillations in growth and solvent formation. If the flow rate is not controlled, for free cell suspension, this usually causes the culture to be washed if the growth slows at a slow flow rate or proceeds in a less optimal manner. Also, cultures tend to rapidly lose their ability to produce solvents (Woolley and Norris (1990) J. Appl. Bacteriol. 69: 718-728; Jones and Woods, (1986) supra; Kashket and Cao 1995), FEMS Microbiol. Rev., 17, 307-315; Afschar (1990) DE 3905624 A1). Afschar (1990) proposed a two-stage molasses fermentation process for the production of butanol and acetone, which features a chemostat with substrate limitations in the first stage to produce cells. A two-stage continuous culture for Clostridia was also proposed by Mutschlechner et al. (J. Mol. Microbiol. Biotechnol. (2000) 2 (1): 101-105). In this process, the system is designed to mimic the two steps of batch culture growth by transferring cells from the " acidic breakpoint " to the second stage using a first stage that grows cells as rapidly as possible. The second vessel is large enough to provide sufficient residence time to complete the solvent production. In all of these examples, the flow rates to the first and second stages were kept constant and were not adjusted in response to any growth related signals such as pH changes or cell density.

2-스테이지 연속 배양물은 또한 고정화된 바이오매스 또는 세포-유지에 관하여 개시되었다(예를 들어, 상기한 Maddox et al. (1993); Gapes 등. (1996)). 이러한 저자들은, 고정된 희석 속도를 이용하였으며, 반응기에서 마이크로브를 유지하여 세척되지 않도록 하는 고정화 방법을 설명한다. 이러한 배양물들은 빠른 희석 속도와 생산성에서 진행될 수 있지만, 최종 용매 농도가 비용 효과적 회수에 있어서 매우 낮은 경향이 있다. 또한, 양측 예들에 있어서, 용매 적정농도와 생산성은 넓게 진동하였다. 고정화의 주요 단점은 비용과 일정한 비율에 대한 어려움에 있다. 확장된 기간에 걸친 작동 및/또는 미립자를 이용한 공급원료의 사용은, 지지 매트릭스의 차단과 오염으로 인해 문제점으로 된다. 또한, 이러한 시스템들은 오염되기 쉬우며 살균 상태를 유지하기 어렵다.Two-stage continuous cultures have also been described with respect to immobilized biomass or cell-keeping (see, for example, Maddox et al. (1993) Gapes et al. (1996), supra). These authors describe a method of immobilization that uses a fixed dilution rate and keeps the microbe in the reactor so that it is not washed. These cultures can proceed at fast dilution rates and productivity, but the final solvent concentration tends to be very low for cost effective recovery. Further, in both examples, the solvent proper concentration and productivity oscillated widely. The main disadvantages of immobilization are the difficulty with cost and constant ratio. Operation over extended periods of time and / or use of feedstock with particulates is a problem due to blocking and contamination of the support matrix. In addition, these systems are prone to contamination and difficult to maintain sterilization.

중국에서는 순차 발효 공정도 상용화되었는데, 8개의 발효기가 함께 연결되는 연속적 또는 순차적 배치 공정이 사용된다. 처음 두 개의 용기(용기 1과 용기 2)는 바이오매스 생성기이며, (종래의 시드 트레인을 통해) 24시간마다 신선한 배양물이 연속적으로 리시드(re-seed)된다. 바이오매스 생성기는, 일단 시드되면, 기질(공급원료)을 연속적으로 공급받고, 채워지면, 액체가 (병행 작동하는) 용기(3, 4)를 향하여 순방향으로 흐른다. 이어서, 이러한 두 개의 용기는, 8개의 발효 용기에 있어서 총 공정 체류 시간인 72시간을 제공하는 순차적인 일련의 연결된 용기들(일반적으로 4개)로 이루어진 발효 트레인의 나머지를 공급한다. 이러한 복잡한 공정은, (용매 플라스미드의 손실로 인한) 마이크로브 열화를 피하도록 일반적으로 연속적 리시드를 필요로 하는 C. 아세토부틸리쿰에 관련된 이상 성질(및 제한사항)에 대하여 설계되었다. 이 공정은, 공정 요동에 빠르게 응답하도록 매우 작은 범위에서 수동 제어된다. 중국의 연속 공정은 Ni & Sun (2009), Appl. Microbiol. Biotechnol., 83, 415-423에 개시되어 있다.In China, a sequential fermentation process has also been commercialized, in which a continuous or sequential batch process is used in which eight fermenters are connected together. The first two vessels (vessel 1 and vessel 2) are biomass generators, and fresh cultures are continuously re-seeded every 24 hours (via conventional seed trains). Once the biomass generator has been seeded, the substrate (feedstock) is fed continuously and, when filled, the liquid flows in the forward direction towards the vessels 3, 4 (working in parallel). These two vessels then feed the remainder of the fermentation train consisting of a series of sequential connected vessels (typically four) providing eighty fermentation vessels with a total process residence time of 72 hours. This complex process is designed for abnormalities (and limitations) associated with C. acetobutylicum, which generally require continuous reseeding to avoid microbial degradation (due to loss of the solvent plasmid). This process is manually controlled in a very small range to quickly respond to the process fluctuation. China's continuous process is described by Ni & Sun (2009), Appl. Microbiol. Biotechnol., 83, 415-423.

오늘날까지, 발효 공정 기술은 클로스트리디아를 생산하는 이상 용매를 위해 개발되어 왔다. 대사는, 빠른 성장과 산 형성 및 이어서 성장이 느려지고 산들이 재동화되고 용매 생산이 시작되는 천이를 특징으로 한다. 이에 따라, 발효 시간이 상당히 길어진다.To date, fermentation process technology has been developed for ideal solvents for producing Clostridia. Metabolism is characterized by rapid growth and acid formation and subsequent transitions in which growth slows, mountains recommence, and solvent production begins. As a result, the fermentation time is considerably long.

그러나, 용매의 초기 온셋, 더욱 짧은 발효 시간, 및 연속적으로 공급된다면 50시간을 초과하는 기간 동안 연속적 또는 확장되는 용매 생산을 제공하는 공정을 제공할 필요가 있다.However, there is a need to provide a process that provides continuous or extended solvent production for an initial onset of solvent, a shorter fermentation time, and a period of time greater than 50 hours if supplied continuously.

따라서, 본 발명의 한 가지 목적은, 선택 사항으로 용매 제거를 세포 및 물 재순환 동작과 통합하고 50시간을 초과하는 기간 동안 높은 용매 생산성을 유지할 수 있는 배치 공급 또는 연속 공급 발효 공정을 제공하는 것이다. 본 발명자들은, 이러한 통합 시스템을 이용하여 기질 저해를 최소한으로 하면서 확장된 기간에 걸쳐 고 수율로 고 농도의 당 또는 기타 탄소 공급물을 용매(아세톤, 부탄올, 및 에탄올)로 변환할 수 있음을 발견하였다.Accordingly, one object of the present invention is to provide a batch fed or continuous feed fermentation process that can optionally incorporate solvent removal with cell and water recycle operations and maintain high solvent productivity over a period of more than 50 hours. The inventors have discovered that such integrated systems can be used to convert high concentrations of sugar or other carbon feeds to solvents (acetone, butanol, and ethanol) at high yields over extended periods of time while minimizing substrate inhibition Respectively.

본 발명은, 일부 용매생성 클로스트리디아가 사실상 이상이 아니며 단상이라는 놀라운 발견에 기초한다. 배치 발효에 있어서, 단상 용매 생산은, 주요 성장 단계 동안 산으로부터 용매로의 생산 대사의 변화나 스위치가 명백하게 없는 동시 성장과 용매 생산을 특징으로 한다. 실제로, 산과 용매는 동시에 생산되며, 산은 배양 배지에 축적되는 경향이 없다. 이러한 클로스트리디아에서는, 용매가 생산되기 전에 제2 단계를 기다릴 필요가 없다. 이러한 클로스트리디아에 대해서는, 성장 및 용매 생산이 단일 용기에서 발생할 수 있다. 용매 생산은, 세포 성장 또는 성장 관련 특징(예를 들어, 기체 생산, 당 이용, 또는 산 생산)을 감시하고, 세포 성장을 위한 조건들을 최적화함으로써 제어될 수 있고, 이에 따라, 고 세포 밀도 및 용매 적정농도를 얻을 수 있다. 이러한 방안은, 배양 조건들이 산생성 단계에서의 성장 또는 용매생성인 제2 단계에서의 용매 생산을 위해 최적화된 이전의 방안들과는 대조적이다.The present invention is based on the surprising discovery that some solvent-produced Clostridia is not substantially abnormal and is a single phase. For batch fermentation, single phase solvent production is characterized by simultaneous growth and solvent production with no obvious changes in production metabolism or switch from acid to solvent during the main growth phase. Indeed, acid and solvent are produced simultaneously, and the acid does not tend to accumulate in the culture medium. In such a clostridia, there is no need to wait for the second step before the solvent is produced. For such clostridia, growth and solvent production may occur in a single vessel. Solvent production can be controlled by monitoring cell growth or growth-related characteristics (e.g., gas production, sugar utilization, or acid production) and optimizing conditions for cell growth, A proper concentration can be obtained. This approach is in contrast to previous approaches in which the culture conditions are optimized for solvent production in the second step, which is growth in the acid production step or solvent production.

단상 및 이상 용매생성 클로스트리디아를 위한 배치 발효는 도 2와 도 3에 도시되어 있다.Batch fermentations for single and extra solvent-producing Clostridia are shown in FIGS. 2 and 3. FIG.

따라서, 일 실시예에서, 본 발명은, 용매 생산을 위한 단일 스테이지 공정을 제공하며, 이 공정은, Thus, in one embodiment, the present invention provides a single stage process for solvent production,

(a) 배양 용기 내의 액체 배양 배지에서 단상 용매생성 클로스트리듐 세포들을 배양하는 단계와, (a) culturing single-phase solvent-producing clostridia cells in a liquid culture medium in a culture vessel,

(b) 상기 배양 용기 내의 상기 단상 용매생성 클로스트리듐 세포들의 세포 성장을 감시하는 단계와, (b) monitoring cell growth of the single-phase solvent-produced Clostridia cells in the culture vessel;

(c) 새로운 배양 배지 및/또는 영양분을 상기 배양 용기 내에 연속적으로 또는 반(semi)연속적으로 도입하는 단계와, (c) continuously or semi-continuously introducing a new culture medium and / or nutrients into the culture vessel,

(d) 용매(들)를 포함하는 액체 배양 배지의 스트림 또는 일부를 상기 배양 용기로부터 연속적으로 또는 반연속적으로 제거하고, 상기 액체 배양 배지를 용매 제거기에 전달하는 단계와, (d) continuously or semicontinuously removing the stream or part of the liquid culture medium containing the solvent (s) from the culture vessel and delivering the liquid culture medium to a solvent remover, and

(e) 상기 배양 용기 내의 세포 밀도를 유지하거나 증가시키는 단계를 포함하고, (e) maintaining or increasing the cell density in the culture vessel,

상기 배양 용기의 세포 성장은, The cell growth of the culture vessel is carried out,

(i) 상기 배양 용기 내에 도입되는 새로운 배양 배지 또는 영양분의 양 또는 속도 및/또는(i) the amount or rate of new culture medium or nutrient to be introduced into the culture vessel and / or

(ii) 상기 배양 용기로부터 제거되는 상기 용매(들)를 포함하는 액체 배양 배지의 양 또는 속도를 제어함으로써, 조절 및/또는 최적화된다.(ii) by controlling the amount or rate of the liquid culture medium comprising the solvent (s) removed from the culture vessel.

바람직하게, 단상 클로스트리듐은, Preferably, the single phase clostridium is

i) 배치 발효의 주요 성장 단계 동안 동시 성장과 용매 생산을 자연스럽게 표시하고, i) naturally mark simultaneous growth and solvent production during the main growth phase of batch fermentation,

ii) 성장 동안 용매를 생산하도록 화학적으로 변형되었고, 또는 ii) chemically modified to produce a solvent during growth, or

iii) 성장 동안 용매를 생산하도록 유전적으로 개질되었다.iii) genetically modified to produce a solvent during growth.

바람직하게, 클로스트리듐은 단상 C. 사카로퍼부틸아세토니쿰이다.Preferably, clostridium is single-phase C. saccharop- butyl acetonitrile.

가장 바람직하게, 클로스트리듐은 단상 클로스트리듐 사카로퍼부틸아세토니쿰 N1 스트레인, 예를 들어, N1-4(HMT) 또는 N1-504이다. Most preferably, clostridium is a single phase clostridial saccharoprotein acetonucleic N1 strain, for example N1-4 (HMT) or N1-504.

바람직하게, (b) 단계는, Preferably, step (b)

(i) 하나 이상의 기체(예를 들어, 수소 및/또는 CO2)의 생산을 감시하는 단계; (i) monitoring the production of one or more gases (e.g., hydrogen and / or CO 2 );

(ii) 하나 이상의 산의 생산을 감시하는 단계; (ii) monitoring the production of one or more acids;

(iii) 배양 배지의 pH를 감시하는 단계; (iii) monitoring the pH of the culture medium;

(iv) 당의 이용을 감시하는 단계; (iv) monitoring the usage per party;

(v) 세포 밀도를 감시하는 단계; 및 (v) monitoring the cell density; And

(vi) 하나 이상의 용매의 생산을 감시하는 단계(vi) monitoring the production of one or more solvents

중 하나 이상에 의해 세포 성장을 감시하는 단계를 포함한다.Lt; RTI ID = 0.0 > and / or < / RTI >

바람직하게, (d) 단계는, 상기 배양 용기로부터 액체 배양 배지의 스트림 또는 일부를 연속적으로 또는 반연속적으로 제거하고 스트림/일부를 세포 분리기를 통해 용매 제거기에 전달하는 단계를 포함하고, Advantageously, step (d) comprises continuously or semicontinuously removing a stream or part of the liquid culture medium from the culture vessel and delivering the stream / portion to a solvent remover through a cell separator,

(i) 세포들은 세포 분리기에서 액체 배양 배지로부터 제거되고, 세포들은 (선택 사항으로 세포 시더(seeder)를 통해) 배양 용기로 복귀되며, (i) the cells are removed from the liquid culture medium in a cell separator, the cells are returned to the culture vessel (optionally through a cell seeder)

(ii) 상기 용매는 용매 제거기에서 액체 배양 배지로부터 제거되고, 남아 있는 액체 배양 배지는 배양 용기로 복귀된다.(ii) the solvent is removed from the liquid culture medium in a solvent remover, and the remaining liquid culture medium is returned to the culture vessel.

바람직하게, 세포 밀도는, Preferably, the cell density,

(i) 용매(들)를 포함하는 액체 배양 배지로부터 제거되는 세포들을 다시 배양 용기로 재순환시키고, 및/또는 (i) recycling the cells removed from the liquid culture medium containing the solvent (s) back to the culture vessel, and / or

(ii) 세포 시더로부터 세포들을 배양 용기 내에 연속적으로 또는 반연속적으로 공급하고, 및/또는 (ii) continuously or semicontinuously feeding cells from the cell seeder into the culture vessel, and / or

(iii) 세포들 중 일부 또는 전부를 배양 용기 내에 고정함으로써, (iii) fixing some or all of the cells in a culture container,

배양 용기 내에서 유지되거나 증가된다.Maintained or increased in the culture vessel.

본 발명의 공정은 임의의 적절한 방식으로 실시될 수 있다. 예를 들어, 공정은, 배치-공급 공정으로서 또는 연속 공정이나 관류 공정의 임의의 형태, 또는 이러한 유형의 공정들의 혼합으로서 실시될 수 있다.The process of the present invention can be carried out in any suitable manner. For example, the process may be implemented as a batch-feed process or as any form of continuous process or perfusion process, or as a mixture of these types of processes.

일부 실시예들에서, 공정은 배치-공급 모드에서 실시된다. 본 실시예에서, 미생물은, 당의 약 절반(예를 들어 25 내지 30g/L)이 소모될 때까지 적절한 시간 동안, 예를 들어, 약 20시간 동안 배치 모드의 원하는 성장 조건들 하에서 배양된다. 미생물의 세포들은 증식하여 산과 용매 모두를 생산한다. 공정의 제1 배치 스테이지의 초기 부피는 바람직하게 용기의 총 작업량의 약 70%((예를 들어 65% 내지 75%)이어야 하며, 성장 및 양호한 용매 수율(예를 들어 0.3g 용매/g 당을 초과)을 유지하도록 충분한 당(예를 들어 55 내지 65g/L)과 영양분을 함유해야 한다. 발효기에는, 배양 용기의 작업 용량의 약 30%(예를 들어 25% 내지 35%)와 등가인 부피로 농축 당액 및 영양분이 공급되며, 유한한 시간 동안(예를 들어 10 내지 75시간) 지속되도록 설계된 속도로 공급된다. 미생물들은, 최적으로 성장하여 용매를 생산하는 데 적합한 조건들(예를 들어, 온도, pH, 산화 환원) 하에서 유지된다.In some embodiments, the process is performed in batch-feed mode. In this embodiment, the microorganism is cultured under the desired growth conditions of the batch mode for a suitable period of time, for example, about 20 hours, until about half of the sugar (e.g. 25-30 g / L) is consumed. Microbial cells proliferate to produce both acid and solvent. The initial volume of the first batch stage of the process should preferably be about 70% (e.g., 65% to 75%) of the total workload of the vessel, and the growth and good solvent yield (For example, 55 to 65 g / L) and nutrients to maintain the volume of the fermentation vessel in the fermentation vessel. The fermenter must have a volume equivalent to about 30% (for example, 25% to 35% At a rate designed to last for a finite amount of time (e.g., 10 to 75 hours). The microorganisms can be grown under conditions suitable for optimal growth and solvent production (e. G. Temperature, pH, redox).

본 발명의 공정은, 바람직하게, 연속 배양 조건 하에서 실시된다. 본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "연속 배양 조건"이라는 용어는, 확장된 기간 동안(예를 들어, 75시간 초과) (고 당 흡수율과 용매 생산성에 의해 정의되는) 스테디 스테이트 상태에서 공급물(영양분)의 연속적인 또는 실질적으로 연속적인 흐름으로 배양 용기 내의 미생물들의 배양이 유지될 수 있는 공정을 가리킨다. 이러한 상황에서, 배양 용기의 일정한 부피를 유지하도록 일부 블리드(bleed)가 필요할 수 있다.The process of the present invention is preferably carried out under continuous culture conditions. As used herein, the term "continuous culture conditions" refers to a condition in which the feed (including nutrients) in steady state conditions (defined by high water absorption and solvent productivity) for extended periods of time Quot; refers to a process by which the culture of microorganisms in a culture vessel can be maintained in a continuous or substantially continuous flow of the culture medium. In this situation, some bleed may be required to maintain a constant volume of the culture vessel.

용매생성 클로스트리디아는, 아세톤, 부탄올 및 에탄올 등의 용매를 생산할 수 있는 박테리아이다. 통상적으로, 산들은 이상 발효시 먼저 생산된 후 용매들에 재동화된다.Solvent-producing Clostridia is a bacteria capable of producing a solvent such as acetone, butanol and ethanol. Typically, the acids are first produced during the fermentation and then re-assimilated into the solvents.

본 발명의 공정은 단일 스테이지 공정이다. 본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "단일 스테이지"라는 용어는, 산(들)과 용매(들) 모두가 동일한 배양 용기 내에서 함께 생산되는 것을 의미한다. 이는, 산들이 제1 성장 스테이지에서 생산되고 용매들이 제2 스테이지에서 후속 생산되며 통상적으로 2개의 배양 용기에서 수행되는 2-단계 공정과 대조적일 수 있다.The process of the present invention is a single stage process. As used herein, the term "single stage" means that both the acid (s) and solvent (s) are produced together in the same culture vessel. This may be in contrast to a two-step process in which the acids are produced in the first growth stage and the solvents are subsequently produced in the second stage and are typically carried out in two culture vessels.

대부분의 용매생성 클로스트리디아(예를 들어 클로스트리듐 아세토부틸리쿰)에서, 발효는 이상이며, 제1 상은 세포 성장, 산 생산, 및 배양 pH의 강하를 특징으로 하고, 제2 상에서는, 산들이 용매들로 변환되고 배양 pH가 증가한다. 대사의 스위치는 발효 액체 배지의 산 농도 및/또는 낮은 배양 pH 값에 의해 개시된다.Most solvent-produced clostridia (e. G. Clostridium < RTI ID = 0.0 > Acetobutylicum), fermentation is abnormal, the first phase is characterized by cell growth, acid production, and a drop in the culture pH, and in the second phase, the acids are converted to solvents and the culture pH is increased. The switch of metabolism is initiated by the acid concentration and / or low culture pH value of the fermentation broth.

그러나, 본 발명은 단상 클로스트리디아에 관한 것이다. 본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "단상 클로스트리디아"이라는 용어는, 클로스트리디아가 개별적인 산 상과 용매 생산 상을 갖지 않음을 의미한다. 단상 용매 생산은, 대사의 명백한 스위치나 변화가 없는 동시 성장과 용매 생산을 특징으로 한다. 산들은 배양 배지 내에 축적되는 경향이 없다.However, the present invention relates to single-phase Clostridia. As used herein, the term "single-phase clostridia" means that clostridia does not have a separate acid and solvent production phase. Single phase solvent production is characterized by simultaneous growth and solvent production with no obvious switch or change in metabolism. The acids tend not to accumulate in the culture medium.

바람직하게, 미생물은 단상 용매생성 클로스트리듐이다.Preferably, the microorganism is a single phase solvent producing clostridium.

바람직하게, 미생물은, 화학적 돌연변이유발 또는 특정한 유전적 개질 또는 이들의 조합에 의해 단상 발효를 표시하도록 전환된 이상 클로스트리듐이다.Preferably, the microorganism is an ideal clostridium that has been converted to display single phase fermentation by chemical mutagenesis or by specific genetic modification or a combination thereof.

더욱 바람직하게, 미생물은 개질을 필요로 하지 않고서 단상 대사를 자연스럽게 표시한다.More preferably, the microorganism naturally expresses single-phase metabolism without requiring modification.

더욱 바람직하게, 클로스트리듐은 단상 클로스트리듐 사카로퍼부틸아세토니쿰이다.More preferably, the clostridium is a single phase clostridium ≪ / RTI >

가장 바람직하게, 클로스트리듐은 단상 C. 사카로퍼부틸아세토니쿰 N1 스트레인, 예를 들어 N1-4(HMT) 또는 N1-504, 또는 이들의 변이체이나 유도체이다. 이러한 변이체/유도체도 단상 용매생성 클로스트리디아일 것이다. 바람직하게, 변이체/유도체는, 등가 조건들 하에서 유도되게 하는 클로스트리디아에 비해 동일한 또는 더 많은 아세톤, 에탄올 및/또는 부탄올을 생산한다.Most preferably, clostridium is a single phase C. < RTI ID = 0.0 > N1 strain, such as N1-4 (HMT) or N1-504, or mutants or derivatives thereof. Such variants / derivatives will also be single-phase solvent-produced clostridia. Preferably, the variant / derivative produces the same or more acetone, ethanol and / or butanol compared to Clostridia, which is induced under equivalent conditions.

이러한 변이체는, 예를 들어, 랜덤 돌연변이유발에 의해 또는 재조합 방법들에 의해 생산될 수 있다. 재조합 방법들은, Targetron(Sigma) 및 Clostron (예를 들어 WO 2007/148091) 등의 타입 II 인트론 사용을 통한 삽입성 유전자 비활성, 및 대립 형질 결합 교환(ACE, 예를 들어, WO 2009/101400)의 사용을 통한 새로운 유전자들의 통합을 포함한다. 더욱 아세테이트-내성의 스트레인을 생성하고(Yang, S., Land, M.L., Klingeman, D.M., Pelletier, D.A., Lu, T.Y., Martin, S.L., Guo, H.B., Smith, J.C., & Brown, S.D. (2010). Paradigm for industrial strain improvement identifies sodium acetate tolerance loci in Zymomonas mobilis and Saccharomyces cerevisiae. Proc Natl Acad Sci U S A., 107(23), 10395-400. 2010.), 더욱 에탄올-내성의 스트레인을 생성하고(Shao, X., Raman, B., Zhu, M., Mielenz, J.R., Brown, S.D., Guss, A.M., & Lynd, L.R. (2011). Mutant selection and phenotypic and genetic characterization of ethanol-tolerant strains of Clostridium thermocellum. Appl Microbiol Biotechnol. 92(3), 641-52. 2011. Also: Brown, S.D., Guss, A.M., Karpinets, T.V., Parks, J.M., Smolin, N., Yang, S., Land, M.L., Klingeman, D.M., Bhandiwad, A., Rodriquez, M.Jr., Raman, B., Shao, X., Mielenz, J.R., Smith, J.C., Keller, M., & Lynd, L.R. (2011). Mutant alcohol dehydrogenase leads to improved ethanol tolerance in Clostridium thermocellum. Proc Natl Acad Sci U S A., 108(33), 13752-7. 2011.), 더욱 전분분해성의 스트레인을 생성하기(Annous, B.A., & Blaschek, H.P. (1991). Isolation and characterization of Clostridium acetobutylicum mutants with enhanced amylolytic activity. Appl. Environ. Microbiol., 57(9), 2544-8. 1991.) 위한 것으로 이미 입증된 바와 같은 랜덤한 돌연변이유발 기술들도 사용될 수 있다.Such variants can be produced, for example, by random mutagenesis or by recombinant methods. Recombinant methods include insertion of gene inactivity through the use of Type II introns such as Targetron (Sigma) and Clostron (e.g. WO 2007/148091), and allelic coupling (ACE, e.g., WO 2009/101400) And integration of new genes through use. In addition, strains of acetate-resistant (Yang, S., Land, ML, Klingeman, DM, Pelletier, DA, Lu, TY, Martin, SL, Guo, HB, Smith, JC, . Paradigm for industrial strain improvement identifies sodium acetate tolerance loci in Zymomonas mobilis and Saccharomyces cerevisiae . Proc Natl Acad Sci US A., 107 (23), 10395-400. 2010.), producing more ethanol-resistant strains (Shao, X., Raman, B., Zhu, M., Mielenz, JR, Brown, SD, Guss, AM, & Lynd, LR Selection and phenotypic and genetic characterization of ethanol-tolerant strains of Clostridium thermocellum . Appl. Microbiol Biotechnol. 92 (3), 641-52. 2011. Also: Brown, SD, Guss, AM, Karpinets, TV, Parks, JM, Smolin, Smith, JC, Keller, M., Raman, B., Shao, X., M., Yang, S., Land, ML, Klingeman, DM, Bhandiwad, A., Rodriquez, M.J. , & Lynd, LR (2011). Mutant alcohol dehydrogenase leads to improved ethanol tolerance in Clostridium thermocellum . Proc Natl Acad Sci US A., 108 (33), 13752-7 2011.) (Annous, BA, & Blaschek, HP (1991). Isolation and characterization of Clostridium acetobutylicum mutants with enhanced amylolytic activity. Appl. Environ. Microbiol., 57 (9), 2544-8. 1991.) Random mutagenesis techniques as already proven can also be used.

이러한 변이체들은, 이들을 소규모 발효로 선별함으로써, 즉, 단상 거동을 유지하고 등가 조건들 하에서 유도되게 하는 클로스트리듐에 비해 동일한 또는 더 많은 아세톤, 에탄올, 및/또는 부탄올을 생산하는 변이체를 찾음으로써, 테스트받을 수 있다.These mutants can be identified by looking for variants that produce the same or more acetone, ethanol, and / or butanol compared to clostridium, which are selected by small scale fermentation, i.e., maintaining single-phase behavior and inducing under equivalent conditions, It can be tested.

C. 사카로퍼부틸아세토니쿰 스트레인 N1-4(HMT)는 ATCC 침착 번호 27021로부터 얻을 수 있다. C . 사카로퍼부틸아세토니쿰 스트레인 N1-504는 ATCC 침착 번호 27022로부터 얻을 수 있다. C. saccharide butyl hydroperoxide acetoxy T. glutamicum strain N1-4 (HMT) can be obtained from the deposited ATCC No. 27 021. C. Saccharomyces butyl hydroperoxide acetoxy T. glutamicum strain N1-504 can be obtained from the ATCC deposition number 27022.

본 발명의 일부 실시예들에서, 클로스트리듐은 C. 사카로퍼부틸아세토니쿰 스트레인 N1-4가 아니다. C . 사카로퍼부틸아세토니쿰 스트레인 N1-4은 ATCC 침착 번호 13564로서 예전에 이용가능하였다. 그러나, 이러한 침착은 더는 이용 가능하지 않다.In some embodiments of the present invention, Clostridium is not C. saccharophyta acetonuccum strain N1-4. C. Saccharomyces butyl hydroperoxide acetoxy T. glutamicum strain N1-4 was available in the past as the deposition number ATCC 13 564. However, this deposition is no longer available.

"산-생산" 또는 "산생성"이라는 용어는, 당 및/또는 전분에 기초하는 기질을 RCOOH(여기서, R은 아래에서 정의한 바와 같음)로, 예를 들어, 아세테이트 및/또는 부티레이트로 변환하는 클로스트리듐의 능력을 가리킨다.The term "acid-production" or "acid production" refers to the conversion of a sugar and / or starch-based substrate into RCOOH (where R is as defined below), for example, acetate and / or butyrate Indicates the ability of clostridium.

"용매-생산" 또는 "용매생성"이라는 용어는, 당 및/또는 전분에 기초하는 기질을 용매로, 바람직하게는, 아세톤, 에탄올 및/또는 부탄올 중 하나 이상으로 변환하는 클로스트리듐의 능력을 가리킨다.The term "solvent-produced" or "solvent generation" refers to the ability of clostridium to convert a substrate based on sugar and / or starch to a solvent, preferably one or more of acetone, ethanol and / Point.

본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "용매" 또는 "용매들"이라는 용어는, 액체 발효 배지에서 용매생성 미생물들에 의해 생산될 수 있는, 비등점이 낮은 유기 용매 또는 이들의 공비액을 가리킨다. 이러한 용매의 예로는, 식 R-OH의 알코올이 있으며, 여기서, R은 지방족 C1-C8 알킬기 또는 지방족 C2-C8 알켄닐기이다. R 기는 분기형 또는 선형일 수 있다. 바람직하게, R 기는 선형이다. R 기는 포화될 수 있고 또는 불포화될 수 있다. 바람직하게, R 기는 포화형이다.As used herein, the term "solvent" or "solvents " refers to organic solvents of low boiling point or azeotropic liquids thereof, which can be produced by solvent-producing microorganisms in a liquid fermentation medium. Examples of such solvents are alcohols of the formula R-OH, wherein R is an aliphatic C1-C8 alkyl group or an aliphatic C2-C8 alkenyl group. The R group may be branched or linear. Preferably, the R group is linear. The R group can be saturated or unsaturated. Preferably, the R group is saturated.

식 R-OH의 알코올의 바람직한 예로는, 메탄올, 에탄올, 2-메틸-프로판-1-올 1,3-프로판디올, 1-부탄올, 2-부탄올, 2-메틸 프로판-2-올 펜탄올, 헥산올, 헵탄올, 및 옥탄올이 있다. 용매의 추가 예는 아세톤((CH3)2CO)을 포함하는 식 R-CO를 갖는다.Preferred examples of the alcohol of the formula R-OH include alcohols such as methanol, ethanol, 2-methyl-propan-1-ol 1,3-propanediol, 1-butanol, Hexanol, heptanol, and octanol. Additional examples of the solvent has a formula R-CO containing acetone ((CH 3) 2 CO) .

바람직하게, 용매들은, ABE 용매, 즉, 아세톤, 1-부탄올 및 에탄올을 포함한다. 가장 바람직하게, 용매들은 1-부탄올 또는 실질적으로 1-부탄올을 포함한다.Preferably, the solvents include ABE solvents, i.e., acetone, 1-butanol and ethanol. Most preferably, the solvents comprise 1-butanol or substantially 1-butanol.

클로스트리듐은 유산소 또는 무산소 미생물일 수 있다. 바람직하게, 클로스트리듐은 무산소 또는 산소-내성 클로스트리듐이다. 가장 바람직하게, 클로스트리듐은 산소-내성 클로스트리듐이다.Clostridium may be an aerobic or anaerobic microorganism. Preferably, clostridium is anoxic or oxygen-resistant clostridium. Most preferably, clostridium is oxygen-resistant clostridium.

일부 실시예들에서, 배양 용기는, 산소를 배제하기 위한 또는 무산소 퍼지를 행하지 않기 위한 특별한 지침 없이 접종될 수 있다. 게다가, 배양 용기는 배양 배지 위의 헤드 공간에서 (정상적인 대기 조성의) 공기로 작동될 수 있다.In some embodiments, the culture vessel may be inoculated without oxygen or with no specific instructions to avoid anaerobic purging. In addition, the culture vessel can be operated with air (of normal atmospheric composition) in the head space above the culture medium.

본 발명의 일부 실시예들에서, 공정은 무산소가 아닌 조건 하에서 수행된다.In some embodiments of the present invention, the process is performed under non-anoxic conditions.

배양 용기에서 사용되는 산- 및 용매-생산 클로스트리디아는, 단일 스트레인으로부터 또는 공동-배양물로부터, 바람직하게는 단일 스트레인으로부터 온 것일 수 있다.The acid- and solvent-producing Clostridia used in the culture vessel may be from a single strain or from a co-culture, preferably from a single strain.

일부 실시예들에서, 클로스트리디아는 내산성이다. 클로스트리디아는 바람직하게 고 농도의 COOH를 견딜 수 있다. 이러한 점에서, 고 농도의 COOH는 최대 15g/L의 아세트산 및/또는 최대 10g/L의 락탄산 및/또는 최대 6g/L의 포름산을 의미할 수 있다.In some embodiments, Clostridia is acid resistant. Clostridia is preferably able to withstand high concentrations of COOH. In this regard, high concentrations of COOH can mean up to 15 g / L acetic acid and / or up to 10 g / L lactic acid and / or up to 6 g / L formic acid.

일부 실시예들에서, 클로스트리듐 세포들 중 일부 또는 전부는 배양 용기에 고정될 수 있다. 다른 실시예들에서, 클로스트리듐 세포들은 고정되지 않으며, 또는 자유롭게 현탁된다.In some embodiments, some or all of the clostridia cells can be immobilized in a culture vessel. In other embodiments, the clostridial cells are not fixed or are free to be suspended.

배양 용기는, 본 발명의 공정에서 클로스트리듐 세포들을 배양하는 데 적합한 임의의 형태의 배양 용기일 수 있다. 바람직한 유형의 배양 용기는 종래의 교반형 바이오반응기를 포함한다.The culture vessel may be any type of culture vessel suitable for culturing Clostridium cells in the process of the present invention. A preferred type of culture vessel comprises a conventional stirred bioreactor.

본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "배양 용기"라는 용어는, 유체 연결될 수 있고 또는 유체 연결되지 않을 수 있는 두 개 이상의 배양 용기를 포함한다. 임의의 다수의 배양 용기들이 병렬로 또는 직렬로 연결될 수 있다.As used herein, the term "culture vessel" includes two or more culture vessels which may or may not be fluidly connected. Any number of culture vessels may be connected in parallel or in series.

그러나, 본 발명의 관점에서, 산(들)과 용매(들) 모두는 단일 배양 용기에서 함께 (즉, 혼합물로) 생산된다. 하나 이상의 산이 제1 배양 용기에서 생산된 후 제2 배양 용기에서 하나 이상의 용매로 변환되는 것이 아니다.However, in view of the present invention, both the acid (s) and solvent (s) are produced together (i. E., As a mixture) in a single culture vessel. One or more acids are not converted into one or more solvents in the second culture vessel after being produced in the first culture vessel.

적절한 배양 배지는 당업계에 공지되어 있다. 적절한 배양 배지는 사용되는 클로스트리듐에 따라 선택된다. 일반적으로, 배양 배지는 액상 배지이다.Suitable culture media are known in the art. A suitable culture medium is selected according to the clostridium used. Generally, the culture medium is a liquid medium.

배치 공급 공정을 포함하는 본 발명의 실시예들에서, 발효는 반응기 부피를 약 70% 채운 상태로 약 20시간 동안 배치 모드에서 진행된다. 배지는, 미생물들이 최적으로 성장하고 산들과 일부 용매(들)를 생산하도록 충분한 당과 영양분을 함유해야 한다.In embodiments of the present invention involving a batch feed process, fermentation proceeds in batch mode for about 20 hours with the reactor volume filled to about 70%. The medium should contain sufficient sugars and nutrients to allow the microorganisms to grow optimally and produce acids and some solvent (s).

다른 실시예들에서는, 반응기 작업 부피의 약 10%만을 초기에 채우고 접종할 수 있다. 남아 있는 약 60%는 세포 성장 동안 채워질 수 있다.In other embodiments, only about 10% of the reactor working volume can be initially filled and inoculated. About 60% of the remaining can be filled during cell growth.

배치-공급 공정을 위한 배지는, 배치 스테이지 동안 배양 용기에 존재하는 것보다 높은 당 및/또는 영양분 농도를 함유하는 영양분 공급물일 수 있다. 공급물의 당의 통상적인 농도는 250g·L-1 내지 450g·L-1로 가변될 수 있다. 이것은, 일정한 유속으로 공급될 수 있고, 또는 세포 성장(또는 관련된 특징) 또는 배양 용기에서의 당이나 용매 레벨에 기초하는 피드백 시스템에 의해 제어될 수 있다. 다른 실시예들에서는, 추가 영양분 배지의 첨가는, 용매 추출의 트리거보다는 독립적 트리거를 이용하여 개시될 수 있으며, 이는, 예를 들어, 당 농도가 정의된 레벨 간에 강하되었을 때(예를 들어, 30g/L 미만) 또는 성장 속도의 느려짐이 검출될 때일 수 있다.The medium for the batch-feeding process may be a nutrient feed containing a sugar and / or nutrient concentration higher than that present in the culture vessel during the batch stage. Typical concentrations of sugars in the feed may vary from 250 g · L -1 to 450 g · L -1 . This may be supplied at a constant flow rate or may be controlled by a feedback system based on cell growth (or related features) or sugar or solvent levels in the culture vessel. In other embodiments, the addition of supplemental nutrient media may be initiated using an independent trigger rather than a trigger of solvent extraction, which may include, for example, when the sugar concentration is lowered between defined levels (e. / L) or a slowing of the growth rate is detected.

추가 당액의 공급 속도는 바람직하게 배양물의 흡수율과 보조를 맞추어야 한다. 이는, 예를 들어, 배양 용기에서 안정적인 당 농도를 (예를 들어, 5-30 g·L-1 범위로) 유지하도록 공급 스테이지를 통해 약 2 내지 5g·L-1 ·h-1일 수 있다.The feed rate of the additional sugar solution should preferably be kept in balance with the rate of absorption of the culture. This can be, for example, about 2 to 5 g · L -1 · h -1 through the feeding stage to maintain a stable sugar concentration (eg, in the range of 5-30 g · L -1 ) in a culture vessel .

배양 용기의 클로스트리디아는 산과 용매를 생산하는 데 적합한 조건들 하에서 유지된다. 조건은, 적절한 탄소원, 예를 들어, 동화될 수 있는 탄수화물을 포함하는 영양분 배지를 제공하는 것을 포함할 것이다.Clostridia in the culture vessel is maintained under conditions suitable for acid and solvent production. The conditions will include providing a nutrient medium comprising a suitable carbon source, for example, a carbohydrate that can be assimilated.

동화될 수 있는 탄수화물의 예는, C5 및 C6 모노머, C5 및 C6 당 다이머, 당 올리고머 및 당 폴리머 등의 당이다. 바람직한 당은, 아라비노오스, 크실로오스, 만노오스, 프록토오스, 글루코오스, 갈락토오스, 수크로오스, 락토오스, 말토오스, 셀로비오스이다. 바람직한 폴리머는 전분, 크실란, 펙틴, 프룩탄, 셀룰로오스, 및 만니톨이다. 다른 적절한 탄소원은 글리세린이다.Examples of carbohydrates that can be assimilated are sugars such as C5 and C6 monomers, dimers per C5 and C6, sugar oligomers and sugar polymers. Preferred sugars are arabinose, xylose, mannose, fructose, glucose, galactose, sucrose, lactose, maltose, and cellobiose. Preferred polymers are starch, xylan, pectin, fructan, cellulose, and mannitol. Another suitable carbon source is glycerin.

바람직하게, 당은, 농업 잔여물(옥수수 & 당), 목질 잔여물, 에너지 작물 또는 도시 폐기물 등의 리그노셀룰로오스계 공급원료로부터 유도되는 가수분해물이다.Preferably, the sugar is a hydrolyzate derived from lignocellulosic feedstocks such as agricultural residues (corn & sugar), woody residues, energy crops or municipal wastes.

탄수화물은, 또한, 글루코오스계 다당류, 예를 들어, 전분 또는 전분계 물질일 수 있다. 가장 바람직하게, 탄수화물은, 전분 또는 전분계 물질이며, 예를 들어, 옥수수, 옥수수 전분, 옥수수 매시, 감자, 감자 전분, 감자 매시, 감자 필링, 감자 칩, 카사바, 카사바 전분, 카사바 칩, 사고, 사고 전분, 덱스트린 또는 "용해성 전분", 예를 들어, Fisher/ Sigma에서 판매되는 것 등이 있다.Carbohydrates may also be glucose-based polysaccharides, for example, starch or starch based materials. Most preferably, the carbohydrate is a starch or starch based material, such as corn, corn starch, corn mash, potato, potato starch, potato mash, potato peeling, potato chips, cassava, cassava starch, cassava chips, Starch, dextrin or "soluble starch ", such as those sold by Fisher / Sigma.

일부 실시예들에서, 본 발명은, 탄소 공급 기준으로 30%를 초과하는 산물의 수율을 유지하면서 기질 또는 용매가 최소한으로 저해되는 200g/L 초과의 당 또는 다른 탄소 공급물을 사용할 수 있다.In some embodiments, the present invention may use a sugar or other carbon feed of greater than 200 g / L, with the substrate or solvent being minimally inhibited while maintaining the yield of the product in excess of 30% on a carbon feed basis.

배양 용기의 pH는, 별도의 알칼리 공급부로부터 또는 배양 용기보다 낮은 pH(통상적으로 1 내지 2 pH 단위)를 갖는 공급 배지의 첨가로부터 알칼리의 자동화된 첨가를 통해 제어될 수 있다.The pH of the culture vessel can be controlled from the separate alkali feed or through the automated addition of alkali from the addition of feed medium with a lower pH (typically 1-2 pH units) than the culture vessel.

배양 용기의 pH는 바람직하게 pH 5.5 내지 7.0이고, 더욱 바람직하게는 pH 5.5 내지 6.5이다. The pH of the culture container is preferably pH 5.5 to 7.0, more preferably pH 5.5 to 6.5.

또한, pH는 pH 옥소스타트(auxostat)에 의해 제어될 수 있다. 바람직하게, pH 옥소스타트는, 별도의 알칼리 공급부를 갖고, 펌프는 배지 공급부를 제어하는 펌프에 연결된다. 배양 용기의 세포 밀도는, 배지-공급 펌프 및 알칼리-공급물의 비 또는 상대 속도를 변경함으로써 제어될 수 있다.In addition, the pH can be controlled by pH auxostat. Preferably, the pH oxostat has a separate alkali feeder and the pump is connected to a pump that controls the medium feeder. The cell density of the culture vessel can be controlled by changing the ratio or relative speed of the medium-feeding pump and the alkali-feed.

온도는 미생물이 최상으로 성장하는 온도로서 선택된다. 예를 들어, 중온성 클로스트리디아를 위해, 온도는 바람직하게 30℃ 내지 37℃이고, 더욱 바람직하게는 31℃ 내지 33℃, 예를 들어, 약 32℃이다.The temperature is chosen as the temperature at which the microorganism is best grown. For example, for mesophilic Clostridia, the temperature is preferably between 30 ° C and 37 ° C, more preferably between 31 ° C and 33 ° C, for example, about 32 ° C.

(b) 단계에서는, 배양 용기의 단상 용매생성 클로스트리듐 세포들의 성장을 감시한다. 이는, 새로운 배양 배지 또는 영양분의 첨가 및/또는 용매의 제거에 의해 배양 용기 내의 양호한 성장 속도 및 고 세포 밀도를 유지하는 데 이용될 수 있는 정보를 얻기 위해 행해진다.In step (b), the growth of single-phase solvent-producing Clostridia cells in the culture vessel is monitored. This is done to obtain information that can be used to maintain a good growth rate and high cell density in the culture vessel by the addition of new culture medium or nutrients and / or removal of the solvent.

배양 용기 내에 있는 클로스트리디아의 세포 성장을 감시하지만, 실제 감시는 배양 용기에서 행해질 수 있고 또는 행해지지 않을 수 있으며, 예를 들어, 감시는 외부적으로 또는 배양 용기로부터 제거되는 샘플에 대하여 행해질 수 있다.Monitoring of the cell growth of Clostridia in the culture vessel may be done, but actual monitoring may or may not be performed in the culture vessel, for example monitoring can be done externally or against the sample removed from the culture vessel have.

바람직하게, (b) 단계는, Preferably, step (b)

(i) 하나 이상의 기체(예를 들어, 수소 및/또는 CO2)의 생산을 감시하는 단계; (i) monitoring the production of one or more gases (e.g., hydrogen and / or CO 2 );

(ii) 하나 이상의 산의 생산을 감시하는 단계; (ii) monitoring the production of one or more acids;

(iii) 배양 배지의 pH를 감시하는 단계; (iii) monitoring the pH of the culture medium;

(iv) 당의 이용을 감시하는 단계; (iv) monitoring the usage per party;

(v) 세포 밀도를 감시하는 단계; 및(v) monitoring the cell density; And

(vi) 하나 이상의 용매의 생산을 감시하는 단계(vi) monitoring the production of one or more solvents

중 하나 이상에 의해 세포 성장을 감시하는 단계를 포함한다.Lt; RTI ID = 0.0 > and / or < / RTI >

본 발명의 공정 동안, 클로스트리디아에 의해 하나 이상의 기체를 생산할 수 있다.During the process of the present invention, one or more gases can be produced by Clostridia.

이러한 기체들은 수소 및/또는 탄소 이산화물을 포함할 수 있다.These gases may include hydrogen and / or carbon dioxide.

기체 총량은 유속계를 사용하여 감시될 수 있고, 개별적인 기체들은 특정한 기체 분석기를 사용하여 정량화될 수 있다.The total amount of gas can be monitored using an anemometer, and individual gases can be quantified using a specific gas analyzer.

기체들의 비도, 배양 배지, 영양분의 첨가 및/또는 용매의 제거 속도를 조절함으로써 성장과 용매 생산을 제어하도록 감시 및 사용될 수 있다.The ratio of gases can be monitored and used to control growth and solvent production by controlling the growth medium, the addition of nutrients, and / or the removal rate of the solvent.

클로스트리디아는, 당 및/또는 전부에 기초하는 기질을 산(예를 들어, RCOOH, 여기서 R은 위에서 정의된 바와 같음)으로 변환한다. 예시적인 산은 아세테이트 및/또는 부티레이트를 포함한다. 산 농도는 기체 크로마토그래피(GC)에 의해 감시될 수 있다.Clostridia converts the substrate based on sugar and / or the whole to an acid (e.g., RCOOH, where R is as defined above). Exemplary acids include acetate and / or butyrate. The acid concentration can be monitored by gas chromatography (GC).

이러한 산들의 생산도 배양 pH의 변화에 의해 감시될 수 있다. 이 경우, 감시 장치는 pH 미터일 수 있다.The production of these acids can also be monitored by changes in the culture pH. In this case, the monitoring device may be a pH meter.

세포 밀도는, 예를 들어, 600nm에서 광 밀도(OD)를 결정하는 광학 수단에 의해 감시될 수 있다.The cell density can be monitored by optical means for determining the optical density (OD) at, for example, 600 nm.

다른 실시예들에서, 세포 밀도의 변화는, 예를 들어, 터비도스타트(turbidostat)를 사용함으로써 새로운 배지/영양분 공급 속도 또는 용매(들)를 포함하는 배양 배지의 제거 속도의 변화로 연결될 수 있다.In other embodiments, changes in cell density can be linked to changes in the rate of removal of the culture medium, including new solvent / nutrient feed rates or solvent (s), by using, for example, a turbidostat .

하나 이상의 용매(예를 들어 에탄올, 부탄올, 아세톤)의 생산은, 기체 크로마토그래피(GC) 및/또는 고 성능 액체 크로마토그래피(HPLC)에 의해 감시될 수 있다.The production of one or more solvents (e.g., ethanol, butanol, acetone) can be monitored by gas chromatography (GC) and / or high performance liquid chromatography (HPLC).

바람직하게, 배양 용기의 부탄올 농도는 10g 부탄올 L-1을 초과해서는 안 된다.Preferably, the butanol concentration of the culture vessel should not exceed 10 g butanol L < -1 & gt ;.

하나 이상의 당(예를 들어, 글루코오스, 크실로오스, 프록토오스, 아라비노오스, 수크로오스, 셀로비오스, 또는 공급원료에 따라 적절한 다른 것들)의 이용이 HPLC에 의해 감시될 수 있다.The use of one or more sugars (e. G., Glucose, xylose, fructose, arabinose, sucrose, cellobiose, or others suitable according to the feedstock) can be monitored by HPLC.

바람직하게, 배양 용기의 당 농도는 30g 당·L-1을 초과해서는 안 된다.Preferably, the sugar concentration of the culture vessel should not exceed .l -1 per 30 g.

(d) 단계는, 배양 용기로부터 용매(들)를 포함하는 액체 배양 배지의 스트림 또는 일부를 연속적으로 또는 반연속적으로 제거하고 상기 액체 배양 배지를 용매 제거기에 전달하는 단계를 포함한다. 용매 제거기에서, 하나 이상의 용매는 바람직하게 액체 배양 배지로부터 분리되고, 선택 사항으로 고립된다.(d) comprises continuously or semicontinuously removing a stream or part of the liquid culture medium comprising solvent (s) from the culture vessel and delivering said liquid culture medium to a solvent remover. In the solvent remover, the at least one solvent is preferably isolated from the liquid culture medium and optionally isolated.

바람직하게, (d) 단계는, 배양 용기로부터 액체 배양 배지의 스트림 또는 일부를 연속적으로 또는 반연속적으로 제거하고 스트림/일부를 세포 분리기를 통해 용매 제거기에 전달하는 단계를 포함하고, Advantageously, step (d) comprises continuously or semicontinuously removing a stream or part of the liquid culture medium from the culture vessel and delivering the stream / part to the solvent remover via a cell separator,

(i) 세포들은 세포 분리기에서 액체 배양 배지로부터 제거되고, 세포들은 (선택 사항으로 세포 시더를 통해) 배양 용기로 복귀되며, (i) the cells are removed from the liquid culture medium in a cell separator, the cells are returned to the culture vessel (optionally through a cell cider)

(ii) 용매는 용매 제거기에서 액체 배양 배지로부터 제거되고, 남아 있는 액체 배양 배지는 배양 용기로 복귀된다.(ii) the solvent is removed from the liquid culture medium in a solvent remover, and the remaining liquid culture medium is returned to the culture vessel.

배양 용기로부터의 액체 배양 배지는 세포 분리기로 직접 전달되거나 간접적으로 전달될 수 있다.The liquid culture medium from the culture vessel can be delivered directly to the cell separator or indirectly.

남아 있는 액체 배양 배지는, 예를 들어, 배양 용기로 직접적으로 또는 간접적으로 전달될 수 있으며, 예를 들어, 저장소에 일시적으로 저장될 수 있다.The remaining liquid culture medium can, for example, be delivered directly or indirectly to the culture vessel and can, for example, be temporarily stored in a reservoir.

배양 용기로부터 세포들의 손실을 감소시키도록, 세포 분리기는 용매 제거기의 상류측에 위치할 수 있다. 세포 분리기에서, 세포들의 전부 또는 상당 부분은 세포 분리기를 통해 전달되는 액체 배양 배지의 스트림 또는 일부로부터 제거된다. 예를 들어, 세포 분리기는, 세포 분리기를 통해 전달되는 액체 배양 배지로부터 세포들의 적어도 50%, 바람직하게 적어도 70%, 가장 바람직하게 적어도 80% 또는 적어도 90%를 제거할 수 있다.To reduce the loss of cells from the culture vessel, the cell separator may be located upstream of the solvent remover. In a cell separator, all or a substantial portion of the cells are removed from the stream or part of the liquid culture medium delivered through the cell separator. For example, the cell separator can remove at least 50%, preferably at least 70%, most preferably at least 80% or at least 90% of the cells from the liquid culture medium delivered through the cell separator.

세포 분리기들의 예로는, 중공 섬유 분리기, 멤브레인 분리기 및 원심 분리기가 있다.Examples of cell separators are hollow fiber separators, membrane separators and centrifuges.

세포들은, 액체 배양 배지로부터의 분리 후에, 선택 사항인 세포 시더를 통해 (바람직하게 일부 액체 배양 배지와 함께) 배양 용기로 복귀된다.After separation from the liquid culture medium, the cells are returned to the culture vessel (optionally with some liquid culture medium) via an optional cell seeder.

이어서, 남아 있는 액체는 용매 제거기로 전달된다.The remaining liquid is then transferred to a solvent remover.

(d) 단계의 (ii)에서, 용매는 용매 제거기에 의해 액체 배양 배지로부터 제거되고, 남아 있는 액체 배양 배지(즉, 일부 용매 또는 모든 용매가 제거된 액체 배양 배지)가 배양 용기로 복귀된다.In step (ii) of step (d), the solvent is removed from the liquid culture medium by the solvent remover and the remaining liquid culture medium (i.e., the liquid culture medium from which some of the solvent or all of the solvent has been removed) is returned to the culture vessel.

배양 용기로부터 제거되는 액체 배양 배지는, 용매생성 클로스트리디아에 의해 생산된 하나 이상의 용매에서 강화된다.The liquid culture medium to be removed from the culture vessel is enriched in at least one solvent produced by the solvent-produced Clostridia.

바람직하게, 액체 배양 배지는, 일단 배양 용기에서 생산된 용매(들)가 정의된 농도점(예를 들어, 8 내지 10g의 부탄올·L-1의 액체 배양 배지)에 도달하면 배양 용기로부터 제거되기 시작한다.Preferably, the liquid culture medium is removed from the culture vessel once the solvent (s) produced in the culture vessel has reached a defined concentration point (e.g., 8 to 10 g of butanol L -1 liquid culture medium) Start.

액체 배양 배지는, 바람직하게, 액체 배양 배지의 용매 농도를 원하는 용매 농도점 미만에서 유지하는 속도로 용매 제거기에 전달될 수 있다. 이 농도점은, 예를 들어, 사용되는 특정한 용매생성 클로스트리듐에 대한 독성 임계값일 수 있다.The liquid culture medium may preferably be delivered to the solvent remover at a rate that keeps the solvent concentration of the liquid culture medium below the desired solvent concentration point. This concentration point may, for example, be a toxicity threshold for the particular solvent-produced clostridium used.

일반적으로, 용매(들)는, 액체-액체 추출, 이온-액체 추출, 기체 스트립핑, 진공 증발, 대기 또는 진공 증류, 투석 증발, 이온 교환 흡수, 카운터 전류 용매 추출 및/또는 증류 중 하나 이상에 의해 액체 배양 배지(발효 액체배지)로부터 회수된다. 대안으로, 예를 들어, (바람직하게 연속 공정에서) 분리를 보조하도록 공기 플럭스 또는 불활성 기체 캐리어 또는 진공(투석 증발)과 함께 소수성 멤브레인이 사용될 수 있다.In general, the solvent (s) may be added to one or more of liquid-liquid extraction, ion-liquid extraction, gas stripping, vacuum evaporation, atmospheric or vacuum distillation, dialysis evaporation, ion exchange absorption, counter current solvent extraction and / (Fermentation broth). ≪ / RTI > Alternatively, for example, a hydrophobic membrane may be used with an air flux or an inert gas carrier or vacuum (dialysis evaporation) to aid separation (preferably in a continuous process).

바람직하게, 용매(들)는, 대기 또는 진공 증류, 투석 증발, 액체-액체 추출 및/또는 기체 스트립핑에 의해 액체 배양 배지로부터 회수된다.Preferably, the solvent (s) is recovered from the liquid culture medium by atmospheric or vacuum distillation, dialysis evaporation, liquid-liquid extraction and / or gas stripping.

바람직하게, 용매 추출은 연속적으로 수행된다.Preferably, the solvent extraction is carried out continuously.

본 발명의 일부 실시예들에서, 용매는, 60시간을 초과하는 기간 동안 적어도 0.8g·L-1·h-1의 속도로 또는 100시간을 초과하는 기간 동안 0.6g·L-1·h-1 속도로 생산될 수 있다.In some embodiments of the invention, the solvent, for a period of time for a period in excess of 60 times out of at least 0.8g · L -1 · h -1 or 100 hours at a rate of 0.6g · L -1 · h - 1 < / RTI > speed.

더욱 바람직한 일부 실시예들에서, 용매 추출은 연속 대기 또는 진공 증류를 통한 것이다.In some more preferred embodiments, the solvent extraction is by continuous atmospheric or vacuum distillation.

일단 용매들이 액체 배양 배지로부터 제거되면, 남아 있는 액체 배양 배지 중 일부 또는 전부가 배양 용기로 복귀된다. 이는 액체 배양 배지로부터의 영양분의 이용을 최대화하며 물 손실을 최소화한다.Once the solvents are removed from the liquid culture medium, some or all of the remaining liquid culture medium is returned to the culture vessel. This maximizes the use of nutrients from the liquid culture medium and minimizes water loss.

또한, 본 발명은 본 발명의 공정에 의해 얻어지는 용매에 관한 것이다.The present invention also relates to a solvent obtained by the process of the present invention.

(e) 단계에서, 세포 밀도는, 바람직하게, In step (e), the cell density is preferably,

(i) 용매(들)를 포함하는 액체 배양 배지로부터 제거되는 세포들을 다시 배양 용기로 재순환하는 단계; (i) recycling the cells removed from the liquid culture medium containing the solvent (s) back to the culture vessel;

(ii) 세포들을 세포 시더로부터 배양 용기로 연속적으로 또는 반연속적으로 공급하는 단계; 및 (ii) continuously or semicontinuously feeding the cells from the cell cider to a culture vessel; And

(iii) 배양 용기 내의 세포들 중 일부 또는 전부를 고정하는 단계 (iii) fixing some or all of the cells in the culture container

중 하나 이상에 의해 배양 용기 내에서 유지 또는 증가된다.Lt; RTI ID = 0.0 > and / or < / RTI >

(e) 단계의 (ii)에서, 세포들은 세포 시더로부터 배양 용기로 연속적으로 또는 반연속적으로 공급된다.In step (ii) of step (e), the cells are continuously or semi-continuously supplied from the cell cider to the culture container.

가장 간단한 버전의 발효 공정에서, 5-10% v/v의 단일 배치 시드는 발효 시작시 발효를 접종하는 데 사용될 수 있지만, 고 세포 밀도와 용매 생산성을 유지하도록 발효 동안 다양한 시간 간격으로 5-10% v/v의 다수의 배치 접종을 사용하는 것도 가능하다. 대안으로, 새로운 세포들을 생산 발효기에 연속으로 공급하도록 연속 배양을 이용할 수 있다. 바람직한 실시예는, 증류물의 움직임 없는 바닥으로부터 공급되고, 공급물 및/또는 새로운 영양분 및 당의 첨가를 제어하도록 설정된 pH 값을 이용하여 자기 조절되는 pH-옥소스타트이다.In the simplest version of the fermentation process, a single batch seed of 5-10% v / v can be used to inoculate the fermentation at the start of fermentation, but 5-10% in various time intervals during fermentation to maintain high cell density and solvent productivity. It is also possible to use multiple batch inoculations of v / v. Alternatively, continuous cultivation can be used to continuously feed new cells to the production fermenter. A preferred embodiment is a pH-oxostat which is fed from the bottom of the distillate's motionless and self-regulated using a set pH value to control the feed and / or the addition of fresh nutrients and sugars.

(e) 단계의 (iii)에서, 클로스트리듐 세포들의 일부 또는 전부는 배양 용기에 고정될 수 있다.In step (e) of step (e), some or all of the clostridial cells may be fixed in a culture vessel.

세포들은 능동적 고정화 기술들에 의해 고정될 수 있고, 이에 의해, 자유로운 현탁 세포들은, 표면에 대한 공유 부착, 표면에 대한 세포들의 가교 결합, 겔 또는 멤브레인 구속부 내의 포획에 의해, 또는 정전 상호작용으로 인해 다공성 고체 표면에 부착되는 세포들의 자연적인 경향을 이용하는 수동적 고정화에 의해, 지지 물질 주위에 또는 지지 물질 내에 막 또는 응집물을 형성하는 능력에 의해 고정된다.Cells can be immobilized by active immobilization techniques whereby free suspension cells can be immobilized by covalent attachment to the surface, crosslinking of the cells to the surface, capture in the gel or membrane restraint, or electrostatic interaction By passive immobilization utilizing the natural tendency of the cells to adhere to the porous solid surface, or by the ability to form a film or agglomerate within the support material.

본 출원에서 클로스트리디아를 고정하기 위한 바람직한 방법들은, Preferred methods for immobilizing clostridia in the present application include,

(i) 자연스럽게 발생하는 폴리머들(예를 들어, 알긴산, 카파-카라게닌, 콜라겐, 젤라틴, 셀룰로오스 등)로 형성된 겔 매트릭스 또는 합성 겔들(폴리아크릴아미드, 폴리메타크릴아미드, 광가교결합성 수지 프리폴리머, 우레탄 프리폴리머, 폴리에틸렌글리콜, 및 폴리비닐 알코올 등) 내의 세포들의 포획 및 (i) gel matrices or synthetic gels formed from naturally occurring polymers (e.g., alginic acid, kappa-carrageenin, collagen, gelatin, cellulose, etc.) (including polyacrylamides, polymethacrylamides, photocrosslinkable resin prepolymers , Urethane prepolymer, polyethylene glycol, and polyvinyl alcohol), and

(ii) 배리어 뒤의 고정화에 의한 세포들의 멤브레인 구속이다. 배리어들은, 유기 용매 또는 반투과성 멤브레인에서 유화되는 세포-물 현탁액의 액적일 수 있다.(ii) membrane restraint of cells by immobilization behind the barrier. Barriers may be droplets of a cell-water suspension emulsified in an organic solvent or semi-permeable membrane.

본 발명의 공정에서, 배양 용기의 세포 성장(또는 세포 성장의 속도)은, In the process of the present invention, the cell growth (or rate of cell growth)

(i) 배양 용기 내에 도입되는 새로운 배양 배지 또는 영양분의 양 또는 속도, 및/또는 (i) the amount or rate of new culture medium or nutrient to be introduced into the culture vessel, and / or

(ii) 배양 용기로부터 제거되는 용매(들)를 포함하는 액체 배양 배지의 양 또는 속도를 제어함으로써 조절된다.(ii) the amount or rate of liquid culture medium comprising the solvent (s) removed from the culture vessel.

본 발명의 공정의 목적은, 당 이용과 용매 생산을 최대화하도록 세포 성장을 유지하고 배양 용기 내의 세포 밀도를 최적화하는 것이다.The purpose of the process of the present invention is to maintain cell growth and optimize cell density in culture vessels to maximize sugar utilization and solvent production.

배양 용기의 클로스트리디아의 세포 성장을 감시함으로써, 차선적 성장을 검출할 수 있다. 이어서, 최적의 성장은, 새로운 배양 배지 또는 영양분을 배양 용기 내에 도입하고 및/또는 억제 용매를 포함하는 일부 액체 배양 배지를 제거함으로써 추구되거나 얻어질 수 있다.Lane growth can be detected by monitoring the cell growth of Clostridia in the culture container. Optimal growth can then be pursued or obtained by introducing a new culture medium or nutrient into the culture vessel and / or by removing some liquid culture medium containing inhibitory solvent.

따라서, 바람직하게, 배양 용기 내의 세포들의 성장은 최적의 레벨에서 유지된다.Thus, preferably, the growth of cells in the culture vessel is maintained at an optimal level.

다른 실시예들에서, 세포들의 차선적 성장이 검출되면, 새로운 배지 또는 영양분이 배양 용기 내에 도입되고, 및/또는 용매를 포함하는 액체 배지가 배양 용기로부터 제거된다.In other embodiments, when the secondary growth of cells is detected, fresh media or nutrients are introduced into the culture vessel, and / or the liquid medium comprising the solvent is removed from the culture vessel.

또 다른 실시예들에서, 세포 성장의 감시 레벨은 기준 레벨과 비교되며, 감시된 레벨이 기준 레벨보다 낮으면, 새로운 배지 또는 영양분이 상기 배양 용기 내에 도입되고 및/또는 용매를 포함하는 액체 배지가 상기 배양 용기로부터 제거된다.In still other embodiments, the monitoring level of cell growth is compared to a reference level, and if the monitored level is below a reference level, a new medium or nutrient is introduced into the culture vessel and / or a liquid medium comprising solvent And removed from the culture container.

또한, 본 발명은 용매를 생산하기 위한 시스템을 제공하며, (예를 들어, 도 1에 도시한 바와 같은) 시스템은, The present invention also provides a system for producing a solvent, wherein a system (e.g., as shown in Figure 1)

(i) 액체 배양 배지 내에 용매생성 클로스트리듐을 배양하기 위한 배양 용기; (i) a culture vessel for culturing the solvent-producing clostridium in a liquid culture medium;

(ii) 배양 용기 내의 세포들의 성장을 감시하기 위한 감시 장치; (ii) a monitoring device for monitoring the growth of cells in the culture vessel;

(iiia) 배양 용기와 유체 연통하며, 클로스트리듐 세포들을 배양 용기에 제공하도록 구성된 세포 시더, 및/또는 (iiib) 배양 용기와 유체 연통하며, 액체 배양 배지를 배양 용기로부터 수용하고, 용매생성 클로스트리듐 세포들을 액체 배양 배지로부터 분리하도록 구성되고, 또한 분리된 세포들을 배양 용기로 복귀시키도록 구성된 세포 분리기; (ii) a cell seeder in fluid communication with the culture vessel and configured to provide clostridium cells to a culture vessel, and / or (iiib) a culture vessel in fluid communication with the culture vessel, A cell separator configured to separate the stridium cells from the liquid culture medium and configured to return the separated cells to the culture vessel;

(iv) 배양 용기와 유체 연통하며, 액체 배양 배지로부터 하나 이상의 용매를 분리하도록 또한 구성된 세포 분리기에 의해 선택 사항으로 제거된 세포로부터, 액체 배양 배지를 수용하도록 구성되고, 또한, 남아 있는 액체 배양 배지를 배양 용기로 복귀시키도록 구성된 용매 제거기; (iv) a liquid culture medium that is configured to receive the liquid culture medium from cells optionally in fluid communication with the culture vessel and optionally removed by a cell separator configured to separate one or more solvents from the liquid culture medium, A solvent remover configured to return to the culture vessel;

(v) 배양 용기 내에 도입되는 새로운 배양 배지의 속도 또는 양 및/또는 세포 분리기로 전달되는 액체 배양 배지의 속도 또는 양을 제어하도록 배양 용기와 유체 연통하는 하나 이상의 흐름 조절기; 및 (v) one or more flow regulators in fluid communication with the culture vessel to control the rate or amount of fresh culture medium introduced into the culture vessel and / or the rate or amount of liquid culture medium delivered to the cell separator; And

(vi) 감시 장치로부터 수신되는 입력에 따라 상기 하나 이상의 흐름 조절기를 제어하기 위한 하나 이상의 제어기를 포함한다.(vi) one or more controllers for controlling said one or more flow conditioners according to an input received from the monitoring device.

또한, 시스템은, 선택 사항으로, In addition, the system may, optionally,

(vii) 물의 벌크를 예를 들어 공비 증류를 통해 용매로부터 제거하도록 공정의 종료시 배양 배지가 안내되는 증류관; (vii) a distillation tube through which the culture medium is guided at the end of the process to remove the bulk of the water from the solvent, for example, by azeotropic distillation;

(viii) 용매를 원하는 산물 명세로 정화하기 위한 하나 이상의 정류 컬럼;(viii) at least one rectifying column for purifying the solvent to the desired product specification;

(ix) COD/BOD(화학적 산소 요구/생화학적 산소 요구)를 감소시키기 위한, 선택 사항으로는 무산소 발효 또는 유사한 것을 갖는 최종 배양 배지로부터 에너지를 또한 복귀시키기 위한 스틸리지(stillage) 처리부; 및(ix) a stillage treatment section for reducing COD / BOD (chemical oxygen demand / biochemical oxygen demand), optionally also for returning energy from a final culture medium with anaerobic fermentation or the like; And

(x) 당액 및/또는 영양분의 하나 이상의 저장소(x) one or more reservoirs of sugar solution and / or nutrients

중 하나 이상을 포함할 수 있다.≪ / RTI >

본 발명의 일부 실시예들에서, 배양 용기는 액체 배양 배지 내에 단상 용매생성 클로스트리디아를 포함한다.In some embodiments of the present invention, the culture vessel comprises single-phase solvent-produced Clostridia in a liquid culture medium.

시스템은, 또한, 알칼리를 함유하거나 함유하도록 적응된 용기; 및/또는 새로운 배양 배지(영양분)를 함유하거나 함유하도록 적응된 용기를 포함할 수 있다. 이러한 후자의 용기는 제1 배양 용기와 유체 연통할 수 있다.The system also includes a container adapted to contain or contain an alkali; And / or a container adapted to contain or contain a fresh culture medium (nutrient). This latter container is in fluid communication with the first culture vessel.

액체 연통을 위한 수단은, 바람직하게, 파이프를 포함한다.The means for liquid communication preferably comprises a pipe.

시스템은, 또한, 배양 용기와 유체 연통하며 배양 용기로부터 제거되는 액체 배양 배지로부터 용매를 제거하도록 구성된 하나 이상의 추가 용매 제거기(예를 들어, 하나 이상의 정류 컬럼, 하나 이상의 증류관 등)를 포함할 수 있다.The system may also include one or more additional solvent removers (e.g., one or more rectification columns, one or more distillation tubes, etc.) configured to remove the solvent from the liquid culture medium in fluid communication with the culture vessel and removed from the culture vessel have.

본 발명의 공정과 관련하여 전술한 본 발명의 특징들 모두는, 필요한 부분만 약간 수정하여 전술한 시스템에 동일하게 적용된다.All of the features of the present invention described above in connection with the process of the present invention apply equally to the system described above with only minor modifications to the required portions.

도 1은 본 발명의 통합된 배치 공급 공정 개념의 일례를 도시한다.
도 2는 이상 용매생성 클로스트리듐을 위한 배치 발효 프로파일이다. 그래프는, 성장이 느리고 세포들이 정지 상태로 진입할 때 용매 생산이 시작되는 것을 도시한다. 발효 시간은 상당히 길다. 최종 용매 적정농도는 낮고, 따라서, 전체 발효에 걸친 용매 생산성이 낮다(실시예 1).
도 3은 단상 용매생성 클로스트리듐을 위한 배치 발효 프로파일이다. 그래프는, 용매 생산이 성장 동안 발생하고 성장이 느려지고 세포들이 정지 상태로 진입할 때 감속되는 것을 도시한다. 발효 시간은 감소되고, 전체 발효에 걸친 용매 생산성은 실시예 1보다 높다(실시예 2).
도 4는 단상 용매생성 클로스트리듐을 위한 배치 발효 프로파일이다. 그래프는, 당이 소모될 때 용매 생산이 중단되고 용매 생산 동안 당이 이용되는 것을 도시한다. 발효 시간은 상당히 짧다(예 3).
도 5는 단상 용매생성 클로스트리듐을 위한 배치-공급 발효에 관한 것이다. 용매를 제거하는 데 기체 스트립핑을 이용하고 당 공급물은 당밀이다. 그래프는 발효 과정 동안 용매의 축적을 도시한다(용매의 총합은 외부에 포획되고 나머지는 발효기 내에 있다). 얻어진 최종 용매 적정농도는 종래의 배치 발효, 즉, 예 3에서 얻어진 것보다 훨씬 높다(실시예 4).
도 6은 단상 용매생성 클로스트리듐을 위한 배치-공급 발효에 관한 것이다. 용매를 제거하는 데 기체 스트립핑을 이용하고 당 공급물은 당밀이다. 그래프는, 용매 생산성과 당 흡수 간의 상관, 및 발효 동안 추가 당을 첨가함으로써 그리고 용매 생산시 용매를 제거함으로써 피크 용매 생산성이 확장되었음을 도시한다(실시예 4).
도 7은 단상 용매생성 클로스트리듐을 위한 배치-공급 발효에 관한 것이다. 용매를 제거하는 데 기체 스트립핑을 이용하고 당 공급물은 당밀이다. 그래프는, 세포 성장과 (광 밀도로 측정된) 밀도와 용매 생산성 간의 직접적인 상관을 도시한다(실시예 4).
도 8은 단상 용매생성 클로스트리듐을 위한 배치-공급 발효에 관한 것이다. 용매를 제거하는 데 기체 스트립핑을 이용하였고 당 공급물은 글루코오스였다(실시예 5). 그래프는 발효 과정 동안 용매의 축적을 도시한다.
도 9는 단상 용매생성 클로스트리듐을 위한 파일럿-규모 배치-공급 발효에 관한 것이다. 공정은, 세포들을 배양 용기의 외부에서 발효 액체 배지로부터 제거하는 멤브레인 여과 유닛(세포 분리기)을 포함한다. 세포들은 배양 용기 내로 다시 재순환되고, 세포들을 뺀 배양 액체배지가, 용매를 액체 배양 배지로부터 분리하는 증류 컬럼(용매 제거기)에 공급된다. 증류액은 배양 용기로 복귀된다. 당 공급물은 글루코오스이다. 그래프는, 40시간 넘게 고 용매 생산성을 유지할 수 있고 당 흡수와 용매 생산 간에 직접적인 상관이 있음을 도시한다(실시예 6).
도 10은 단상 용매생성 클로스트리듐을 위한 파일럿-규모 배치-공급 발효에 관한 것이다. 공정은, 세포들을 배양 용기의 외부에서 발효 액체 배지로부터 제거하는 멤브레인 여과 유닛(세포 분리기)을 포함한다. 세포들은 배양 용기 내로 다시 재순환되고, 세포들을 뺀 배양 액체배지가, 용매를 액체 배양 배지로부터 분리하는 증류 컬럼(용매 제거기)에 공급된다. 증류액은 배양 용기로 복귀된다. 당 공급물은 옥수수 매시이다. 그래프는, 산업용 옥수수 기반 공급원료를 사용하여 40시간 넘게 고 당 흡수와 용매 생산성을 유지할 수 있음을 도시한다(실시예 7).
도 11은 단상 용매생성 클로스트리듐을 위한 파일럿-규모 배치-공급 발효에 관한 것이다. 공정은, 세포들을 배양 용기의 외부에서 발효 액체 배지로부터 제거하는 멤브레인 여과 유닛(세포 분리기)을 포함한다. 세포들은 배양 용기 내로 다시 재순환되고, 세포들을 뺀 배양 액체배지가, 용매를 액체 배양 배지로부터 분리하는 증류 컬럼(용매 제거기)에 공급된다. 증류액은 배양 용기로 복귀된다. 당 공급물은 당밀이다. 그래프는, 발효 동안 당 흡수와 용매 생산성 간의 상관을 도시한다(실시예 8).
도 12는 단상 용매생성 클로스트리듐을 위한 파일럿-규모 배치-공급 발효에 관한 것이다. 공정은, 세포들을 배양 용기의 외부에서 발효 액체 배지로부터 제거하는 멤브레인 여과 유닛(세포 분리기)을 포함한다. 세포들은 배양 용기 내로 다시 재순환되고, 세포들을 뺀 배양 액체배지가, 용매를 액체 배양 배지로부터 분리하는 증류 컬럼(용매 제거기)에 공급된다. 증류액은 배양 용기로 복귀된다. 당 공급물은 당밀이다. 그래프는, 발효 동안 기체 생산과 용매 생산성 간의 상관을 도시한다(실시예 8).
Figure 1 shows an example of an integrated batch feed process concept of the present invention.
Figure 2 is a batch fermentation profile for abnormal solvent-forming Clostridium. The graph shows that growth is slow and solvent production begins when the cells enter the stationary state. The fermentation time is considerably longer. The final solvent optimum concentration is low, and thus the solvent productivity over the entire fermentation is low (Example 1).
Figure 3 is a batch fermentation profile for single-phase solvent-forming clostridium. The graph shows that solvent production occurs during growth, slowing growth, and slowing down when the cells enter a stationary state. The fermentation time is reduced, and the solvent productivity over the entire fermentation is higher than that of Example 1 (Example 2).
Figure 4 is a batch fermentation profile for single-phase solvent-producing clostridium. The graph shows that when the sugar is consumed, the solvent production is stopped and the sugar is used during solvent production. Fermentation time is fairly short (Example 3).
Figure 5 relates to batch-fed fermentation for single-phase solvent-producing clostridium. Gas stripping is used to remove the solvent and the sugar feed is molasses. The graph shows the accumulation of solvent during the fermentation process (the sum of the solvent is captured externally and the remainder in the fermenter). The resulting final solvent titre concentration is much higher than that obtained in the conventional batch fermentation, Example 3 (Example 4).
Figure 6 relates batch-fed fermentation for single-phase solvent-forming clostridium. Gas stripping is used to remove the solvent and the sugar feed is molasses. The graph shows the correlation between solvent productivity and sugar absorption, and the peak solvent productivity was extended by adding additional sugars during fermentation and by removing the solvent in solvent production (Example 4).
Figure 7 relates to batch-fed fermentation for single-phase solvent-producing clostridium. Gas stripping is used to remove the solvent and the sugar feed is molasses. The graph shows a direct correlation between cell growth and density (measured by optical density) and solvent productivity (Example 4).
Figure 8 relates to batch-fed fermentation for single-phase solvent-producing clostridium. Gas stripping was used to remove the solvent and the saccharide feed was glucose (Example 5). The graph shows the accumulation of solvent during the fermentation process.
Figure 9 relates to a pilot-scale batch-fed fermentation for single-phase solvent-producing Clostridium. The process includes a membrane filtration unit (cell separator) that removes cells from the fermentation broth outside the culture vessel. The cells are recirculated back into the culture vessel and the culture broth removed from the cells is fed to a distillation column (solvent remover) which separates the solvent from the liquid culture medium. The distillate is returned to the culture vessel. The saccharide feedstock is glucose. The graph shows that there is a direct correlation between sugar absorption and solvent production, which can sustain high solvent productivity for more than 40 hours (Example 6).
Figure 10 relates to pilot-scale batch-fed fermentation for single-phase solvent-producing Clostridium. The process includes a membrane filtration unit (cell separator) that removes cells from the fermentation broth outside the culture vessel. The cells are recirculated back into the culture vessel and the culture broth removed from the cells is fed to a distillation column (solvent remover) which separates the solvent from the liquid culture medium. The distillate is returned to the culture vessel. The sugar feed is corn mash. The graph shows that industrial corn-based feedstocks can be used to maintain solids absorption and solvent productivity for more than 40 hours (Example 7).
Figure 11 relates to pilot-scale batch-fed fermentation for single-phase solvent-producing Clostridium. The process includes a membrane filtration unit (cell separator) that removes cells from the fermentation broth outside the culture vessel. The cells are recirculated back into the culture vessel and the culture broth removed from the cells is fed to a distillation column (solvent remover) which separates the solvent from the liquid culture medium. The distillate is returned to the culture vessel. The sugar feed is molasses. The graph shows the correlation between glucose uptake and solvent productivity during fermentation (Example 8).
Figure 12 relates to pilot-scale batch-fed fermentation for single-phase solvent-producing clostridium. The process includes a membrane filtration unit (cell separator) that removes cells from the fermentation broth outside the culture vessel. The cells are recirculated back into the culture vessel, and the culture broth removed from the cells is fed to a distillation column (solvent remover) which separates the solvent from the liquid culture medium. The distillate is returned to the culture vessel. The sugar feed is molasses. The graph shows the correlation between gas production and solvent productivity during fermentation (Example 8).

실시예Example

달리 언급하지 않는 한 부와 퍼센트가 중량이고 도는 ℃인 다음에 따르는 실시예들에서 본 발명을 더 설명한다. 이러한 실시예들은, 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내지만, 예시적일 뿐이라는 점을 이해하도록 한다. 전술한 설명과 이러한 실시예들로부터, 통상의 기술자라면, 본 발명의 핵심적 특징들을 확인할 수 있고, 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어나지 않고서, 다양한 사용과 조건에 맞도록 본 발명에 대하여 다양한 변경 및 수정을 행할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 도시하고 설명한 것에 더하여, 본 발명의 다양한 수정은 전술한 설명에 대한 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 이러한 수정도 청구범위 내에 속하는 것이다.Unless otherwise noted, the present invention is further illustrated in the following examples in which parts and percentages are by weight and degrees Celsius. It should be understood that these embodiments are illustrative of preferred embodiments of the present invention, but are for illustrative purposes only. It will be apparent to those of ordinary skill in the art from the foregoing description and these embodiments that various modifications and variations of the present invention may be made without departing from the spirit and scope of the invention, Can be performed. Accordingly, various modifications of the invention in addition to those shown and described herein will become apparent to those skilled in the art from the foregoing description. Such modifications are also within the scope of the claims.

실험실 규모(1L) 실시예에서는, 기체-스트립핑을 이용하여 주 발효기의 용매의 저 레벨을 유지한다. 그러나, 파일럿 규모(140L)의 실시예들(및 바람직한 상용 방법)에서는, 영양분을 이용한 대기 증류 및 주 발효기로의 물 재순환을 사용하여 용매 제거를 수행한다.In laboratory scale (1L) embodiments, gas-stripping is used to maintain a low level of solvent in the main fermenter. However, in pilot scale (140 L) embodiments (and preferred commercial methods) solvent removal is performed using atmospheric distillation with nutrients and water recirculation to the main fermenter.

비교예Comparative Example 1: 이상 용매생성 클로스트리듐에 의한 배치 발효 Batch fermentation with 1: or more solvent-generated clostridium

목적purpose

전통적인 이상 용매생성 클로스트리디아를 이용하여 얻어지는 이상 배치 발효 프로파일을 입증하는 것이다.Demonstrating the anomalous batch fermentation profiles obtained using traditional over-solvent-producing Clostridia.

물질과 방법Materials and methods

박테리아 스트레인Bacterial strain

32 ± 1℃에서 16시간 내지 18시간 동안 무산소 상태 하에 100mL 세럼 병에서, 강화된 클로스트리듐 배지(표 1에서와 같은 RCM) 등의 표준 무산소 배양 배지에서 용매생성 클로스트리듐 베이저링키 스트레인 BAS/B2(CSC/NCP 수집 15/06/1945)를 배양하였다.Solvent-generated Clostridium Beijerring strains BAS in a standard anaerobic culture medium, such as enhanced Clostridium medium (RCM as in Table 1), in 100 mL serum bottles under anaerobic conditions for 16-18 hours at 32 1 C / B2 (CSC / NCP collection 15/06/1945) were cultured.

g·L-1의 RCM 반고체 배지 조성물g < RTI ID = 0.0 > L- 1 < 효모 추출물Yeast extract 3.03.0 실험심-Lemco 분말Experimental Shim -Lemco Powder 10.010.0 펩톤peptone 10.010.0 글루코오스Glucose 5.05.0 용해성 전분Soluble starch 1.01.0 염화나트륨Sodium chloride 5.05.0 초산나트륨Sodium acetate 3.03.0 시스테인염산염Cysteine hydrochloride 0.50.5 한천Agar 0.50.5 *pH * pH 6.8 ± 0.26.8 ± 0.2

* 필요시 성능 표준을 충족시키도록 조절되고, 121℃에서 고압살균에 의해 살균됨 * Adjusted to meet performance standards, if necessary, and sterilized by autoclaving at 121 ° C

발효 배지Fermentation medium

당밀이 발효 배지를 위한 주 탄소원이었다. 발효 용기에서 60g·L-1의 당밀 당 농도로 0.95L의 초기 부피에서 실험을 시작한 후 5g·L-1의 옥수수 매시, 5g·L-1의 CaCO3 및 2g·L-1의 (NH4)2SO4를 보충하였다. 초기 pH를 NaOH 20%(w/v)에 의해 6.7±0.2로 조절한 후, pH를 제어하지 않았다. 모든 미네랄 염들은 연구실 등급이었다((Fisher Scientific).Molasses was the primary carbon source for the fermentation medium. The experiment was started at an initial volume of 0.95 L at a molar sugar concentration of 60 g · L -1 in a fermentation vessel, and then subjected to 5 g · L -1 corn silicate, 5 g · L -1 CaCO 3 and 2 g · L -1 (NH 4 ) it was supplemented with a 2 SO 4. The initial pH was adjusted to 6.7 ± 0.2 by 20% (w / v) NaOH and the pH was not controlled. All mineral salts were laboratory grade (Fisher Scientific).

배양 조건Culture conditions

초기 작업 부피가 0.95L인 1L 발효기에서 발효를 실시하였다. 발효기는 기체 배출기, 교반기, 샘플링 포트, pH 및 온도 프로브들을 구비하였다. 발효는 최종 부피(1L)의 1% v/v 시드 배양물에 의한 접종에 의해 개시되었다. 온도는 32±3℃에서 유지되었다.Fermentation was carried out in a 1 L fermenter with an initial working volume of 0.95 L. The fermenter was equipped with a gas ejector, a stirrer, a sampling port, pH and temperature probes. Fermentation was initiated by inoculation with a final volume (1 L) of 1% v / v seed culture. The temperature was maintained at 32 ± 3 ° C.

세포 성장, 산물, 및 기질의 분석Analysis of cell growth, products, and substrates

1cm 광 경로의 큐벳을 갖는 Jenway 6300 분광 광도계를 사용하여 600nm에서 성장을 감시하였다. 필요시 흡광도가 0.6 유닛을 초과하지 않도록 배양물들을 희석하였다.Growth was monitored at 600 nm using a Jenway 6300 spectrophotometer with a 1 cm light path cuvette. The cultures were diluted as needed so that the absorbance did not exceed 0.6 units.

원심 분리된 발효 샘플들로부터의 상청액을 네트워크 샘플러가 있는 Agilent 기체 크로마토그래피 시스템 상의 기체 크로마토그래피에 도포함으로써, 아세테이트, 부티레이트, 에탄올, 아세톤, 및 n-부탄올의 농도를 측정하였다. 장비에, 컬럼 온도 램프가 80℃로부터 200℃로 되는 모세 컬럼(Agilent 19091F115E HP-FFAP)을 장착하였다. 캐리어 기체는, 유속이 0.8mL·분-1 내지 1.3mL·분-1인 N2이었다. 수소 유속이 50mL·분-1이고, 공기 유속이 400mL·분-1이고, 메이크업 유속(N2)이 30mL·분-1에서 FID 검출기 온도(300℃)를 취급하였다. 이소부탄올(99.5%) 및 이소부틸산(99.5%)을, 각각 HPLC 등급의 물에서 10g·L-1의 농도로 준비된 내부 표준으로서 사용하였다.The concentrations of acetate, butyrate, ethanol, acetone, and n-butanol were determined by applying the supernatant from the centrifuged fermentation samples to gas chromatography on an Agilent gas chromatography system with a network sampler. The instrument was equipped with a capillary column (Agilent 19091F115E HP-FFAP) with a column temperature ramp from 80 ° C to 200 ° C. The carrier gas had N 2 at a flow rate of 0.8 mL min -1 to 1.3 mL min -1 . The hydrogen flow rate was 50 mL · min -1 , the air flow rate was 400 mL · min -1 , and the makeup flow rate (N 2 ) was 30 mL · min -1 , the FID detector temperature (300 ° C.) was handled. Isobutanol (99.5%) and isobutyric acid (99.5%) were used as internal standards, each prepared at a concentration of 10 g · L -1 in HPLC grade water.

ASI00 오토 샘플러 및 Shodex RI 101 굴절률 및 US 검출기를 장착한 Dionex HPLC를 사용하여 고압 액체 크로마토그래피에 의해 발효 샘플들의 당 함유량을 결정하였다. 분리 컬럼은 85℃에서 작동하는 Phenomonex Rezex-Pb2 +이었다. HPLC 등급 물을 0.6 mL/분의 유속에서 이동 상으로서 이용하였다. 샘플 주입 부피는 10㎕이었다. 당의 1, 5, 10, 15 및 20g·L-1 농도에서 (사용되는 구체적인 당원에 따라 적절히) 수크로오스, 말토오스, 글루코오스, 또는 프록토오스로부터 생성되는 크로마토그램으로부터 피크 영역들을 통합함으로써 캘리브레이션 곡선을 생성하였다.The sugar content of the fermentation samples was determined by high pressure liquid chromatography using Dionex HPLC equipped with ASI00 autosampler and Shodex RI 101 refractive index and US detector. The separation column was a Phenomonex Rezex-Pb + 2 operating at 85 ℃. HPLC grade water was used as mobile phase at a flow rate of 0.6 mL / min. The sample injection volume was 10 μl. Calibration curves are generated by incorporating peak areas from chromatograms generated from sucrose, maltose, glucose, or fructose (depending on the specific source used) at concentrations of 1, 5, 10, 15 and 20 g L -1 Respectively.

결과result

결과는 도 2에 도시되어 있다. 그래프는, 성장이 느려지고 세포들이 정지 상에 진입할 때 용매 생산이 시작됨을 도시한다. 발효 시간은 상당히 길다(55시간). 최종 용매 적정농도는 낮고, 따라서, 전체 발효에 걸친 용매 생산성이 낮다.The results are shown in FIG. The graph shows that growth begins to slow and solvent production begins when the cells enter the stationary phase. The fermentation time is considerably longer (55 hours). The final solvent optimum concentration is low, and therefore, the solvent productivity over the entire fermentation is low.

비교예Comparative Example 2: 단상 용매생성 클로스트리듐에 의한 배치 발효 2: Production of Single Phase Solvent Batch Fermentation by Clostridium

목적purpose

단상 용매생성 클로스트리듐을 이용하여 얻어지는 단상 배치 발효 프로파일을 입증하는 것이다.Phase batch fermentation profile obtained using single-phase solvent-forming clostridium.

물질과 방법Materials and methods

박테리아 스트레인Bacterial strain

용매생성 클로스트리듐 사카로퍼부틸아세토니쿰 스트레인 N1-4(HMT)를, 32 ± 1℃에서 16시간 내지 18시간 동안 무산소 상태 하에 100mL 세럼 병에서, 강화된 클로스트리듐 배지(표 1에서와 같은 RCM) 등의 표준 무산소 배양 배지에서 배양하였다.Solvent-producing clostridium saccharoprotein acetonucleoside strains N1-4 (HMT) were grown in 100 ml serum bottles under anaerobic conditions for 16 to 18 hours at 32 1 C and in enhanced clostridial medium The same RCM) were cultured in a standard anaerobic culture medium.

발효 배지Fermentation medium

실시예 1에서와 같이, 당밀이 발효 배지를 위한 주 탄소원이었다. 발효 용기에서 60g·L-1의 당밀 당 농도로 0.95L의 초기 부피에서 실험을 시작한 후 5g·L-1의 옥수수 매시, 5g·L-1의 CaCO3 및 2g·L-1의 (NH4)2SO4를 보충하였다. 초기 pH를 NaOH 20%(w/v)에 의해 6.7±0.2로 조절한 후, pH를 제어하지 않았다.As in Example 1, molasses was the primary carbon source for the fermentation medium. The experiment was started at an initial volume of 0.95 L at a molar sugar concentration of 60 g · L -1 in a fermentation vessel, and then subjected to 5 g · L -1 corn silicate, 5 g · L -1 CaCO 3 and 2 g · L -1 (NH 4 ) it was supplemented with a 2 SO 4. The initial pH was adjusted to 6.7 ± 0.2 by 20% (w / v) NaOH and the pH was not controlled.

배양 조건Culture conditions

실시예 1과 유사하게, 초기 작업 부피가 0.95L인 1L 발효기에서 발효를 실시하였다. 발효기는 기체 배출기, 교반기, 샘플링 포트, pH 및 온도 센서들을 구비하였다. 발효는 최종 부피(1L)의 1% v/v 시드 배양물에 의한 접종에 의해 개시되었다. 온도는 32±3℃에서 유지되었다.Similar to Example 1, fermentation was performed in a 1 L fermenter with an initial working volume of 0.95 L. The fermenter was equipped with a gas ejector, a stirrer, a sampling port, pH and temperature sensors. Fermentation was initiated by inoculation with a final volume (1 L) of 1% v / v seed culture. The temperature was maintained at 32 ± 3 ° C.

산물과 기질의 분석Analysis of products and substrates

실시예 1에서 설명한 바와 같다.As described in the first embodiment.

결과result

결과는 도 3에 도시되어 있다. 그래프는, 성장이 느려지고 세포들이 정지 상에 진입할 때 용매 생산이 성장 동안 발생하고 느려짐을 도시한다. 발효 시간은 감소되고(45시간), 전체 발효에 걸친 용매 생산성은 실시예 1보다 높다.The results are shown in FIG. The graph shows that as the growth slows and the cells enter the stationary phase, solvent production occurs and slows during growth. The fermentation time was reduced (45 hours) and the solvent productivity over the entire fermentation was higher than in Example 1.

비교예Comparative Example 3: 단상 용매생성 클로스트리듐에 의한 배치 발효 3: Single phase solvent production Batch fermentation by Clostridium

목적purpose

단상 용매생성 클로스트리듐을 이용한 배치 발효에 대하여 당 이용과 ABE 생산 간의 관계를 입증하는 것이다.Single phase solvent production This demonstrates the relationship between sugar utilization and ABE production for batch fermentation using Clostridium.

물질과 방법Materials and methods

박테리아 스트레인Bacterial strain

용매생성 클로스트리듐 사카로퍼부틸아세토니쿰 스트레인 N1-4(HMT)를 실시예 2에서 설명한 바와 같이 배양하였다.Solvent-producing clostridium saccharopheyl acetonucleoside strains N1-4 (HMT) were cultured as described in Example 2.

발효 배지Fermentation medium

실시예 2와 유사하게, 당밀이 발효 배지를 위한 주 탄소원이었다. 발효 용기에서 55g·L-1의 당밀 당 농도로 0.95L의 초기 부피에서 실험을 시작한 후 2.5g·L-1의 효모 추출물, 2.5g·L-1의 트립톤, 0.025g·L-1의 FeSO4, 및 0.5g·L-1의 (NH4)2SO4를 보충하였다.Similar to Example 2, molasses was the primary carbon source for the fermentation medium. After the fermentation vessel began to experiment in the initial volume of 0.95L with molasses sugar concentration of 55g · L -1 of 2.5g · L -1 yeast extract, 2.5g · L -1 tryptone, 0.025g · L -1 of FeSO 4 , and (NH 4 ) 2 SO 4 of 0.5 g · L -1 .

배양 조건Culture conditions

실시예 2와 유사하게, 초기 작업 부피가 0.8L인 1L 발효기에서 발효를 실시하였다. 발효기는 기체 배출기, 교반기, 샘플링 포트, pH 및 온도 센서들을 구비하였다. 발효는 최종 부피(1L)의 7.5% v/v 시드 배양물에 의한 접종에 의해 개시되었다. 온도는 32±3℃에서 유지되었다. 20% w/v NaOH를 사용하여 초기 pH를 6 내지 6.5로 조절하였고, 발효 동안 필요시, pH 설정점을 5.0 내지 5.5로 유지하였다. 모든 미네랄 염은 연구실 등급이었다((Fisher Scientific).Similar to Example 2, fermentation was carried out in a 1 L fermenter with an initial working volume of 0.8 L. The fermenter was equipped with a gas ejector, a stirrer, a sampling port, pH and temperature sensors. Fermentation was initiated by inoculation with a final volume (1 L) of 7.5% v / v seed culture. The temperature was maintained at 32 ± 3 ° C. The initial pH was adjusted to 6 to 6.5 using 20% w / v NaOH and the pH set point was maintained at 5.0 to 5.5, as needed during fermentation. All mineral salts were laboratory grade (Fisher Scientific).

산물과 기질의 분석Analysis of products and substrates

실시예 1에서 설명한 바와 같다.As described in the first embodiment.

결과result

결과는 도 4에 도시되어 있다. 그래프는, 용매 생산 동안 당이 이용되고 당이 소모되면 용매 생산이 중단되는 것을 도시한다. 발효 시간은 상당히 짧다(44시간).The result is shown in FIG. The graph shows that sugar is used during solvent production and solvent production is discontinued when sugar is consumed. Fermentation time is fairly short (44 hours).

실시예Example 4: 당밀의 배치 공급 발효 4: Fermentation batch feed fermentation

목적purpose

(기체 스트립핑을 이용하여) 브로스(broth) 내의 용매 농도를 낮게 유지함으로써 전통적인 배치 발효에 비해 확장된 기간 동안 최대 당 흡수율로 또는 최대 당 흡수율에 가깝게 기하급수적으로 성장하는 세포 집단의 생산에 초점을 맞춘 배치 공급 시스템을 이용하여, 고 생산 속도로 단상 용매생성 클로스트리듐을 배양하는 방법을 입증하는 것이다.By using a low concentration of solvent in the broth (using gas stripping), we focus on the production of cell populations growing exponentially at maximum sugar uptake for extended periods of time compared to traditional batch fermentations, or close to maximum sugar uptake Demonstrate a method of culturing single-phase solvent-producing clostridium at high production rates using a tailored batch supply system.

물질과 방법Materials and methods

박테리아 스트레인Bacterial strain

용매생성 클로스트리듐 사카로퍼부틸아세토니쿰 스트레인 N1-4(HMT)를 실시예 2에서 설명한 바와 같이 배양하였다.Solvent-producing clostridium saccharopheyl acetonucleoside strains N1-4 (HMT) were cultured as described in Example 2.

발효 배지Fermentation medium

당밀이 발효 배지를 위한 주 탄소원이었다. 발효 용기에서 50g·L-1의 당 농도로 1.5L의 초기 부피에서 실험을 시작한 후 2.5g·L-1의 효모 추출물, 2.5g·L-1의 트립톤, 0.5g·L-1의 (NH4)2SO4, 0.025g·L-1의 FeSO4, 및 3g·L-1의 CaCO3를 보충하였다. 필요시, 살균 전에 pH를 NaOH의 20% w/v에 의해 pH 6.5로 조절하였다. 모든 미네랄 염은 연구실 등급이었다((Fisher Scientific).Molasses was the primary carbon source for the fermentation medium. After starting the experiment in an initial volume of 1.5 L at a sugar concentration of 50 g · L -1 in a fermentation vessel, a 2.5 g L -1 yeast extract, a 2.5 g L -1 tryptone, a 0.5 g L -1 NH 4 ) 2 SO 4 , 0.025 g · L -1 FeSO 4 , and 3 g · L -1 CaCO 3 were supplemented. If necessary, the pH was adjusted to pH 6.5 with 20% w / v NaOH before sterilization. All mineral salts were laboratory grade (Fisher Scientific).

공급 배지Supply badge

3.8g·L-1의 효모 추출물, 3.8g·L-1의 트립톤, 0.8g·L-1의 (NH4)2SO4, 3g·L-1의 CaCO3 및 0.05g·L-1의 FeSO4인 영양분들과 함께, 350g·L-1 농도의 글루코오스 용액 500mL의 추가 공급물3.8 g L -1 of yeast extract, 3.8 g L -1 of tryptone, 0.8 g L -1 of (NH 4 ) 2 SO 4 , 3 g L -1 of CaCO 3 and 0.05 g L -1 Of FeSO 4 , together with 500 mL of a 350 g L < -1 > glucose solution,

배양 조건Culture conditions

기체 배출기, 교반기, 샘플링 포트, pH 및 온도 센서들을 구비하는 발효기에서 발효를 실시하였다. 발효는 7.5% v/v 시드 배양물에 의한 접종에 의해 개시되었다. The fermentation was carried out in a fermenter equipped with a gas ejector, a stirrer, a sampling port, pH and temperature sensors. Fermentation was initiated by inoculation with 7.5% v / v seed culture.

접종 직후 공급 용기(1L)를 발효기에 연결하였다(도 1). 6시간 후 부탄올 농도가 1g/L로 되었을 때, 질소를 이용한 기체 스트립핑을 통한 산물 제거를 2vvm N2의 기체 유속에서 개시하였다. 배치 공급 모드 동작을 접종 후 약 15시간에 시작하였다. 일단 용기 내의 당 농도가 설정된 값(26g·L-1) 미만으로 감소되면 배지 저장소 펌프를 연결하여 작동시켰다. 배지 저장소는 새로운 당과 영양분을 공급하였다. 공급 펌프는, 당 흡수율과 배양물 성장에 따라 자동적으로 그리고 간헐적으로 작동하였다. 온도를 32±3℃에서 유지하고 최소한의 교반(50 내지 70rpm)을 유지하도록 제어 시스템을 맞추었다. pH는 제어하지 않았다.Immediately after the inoculation, the feed container 1L was connected to the fermenter (Fig. 1). When the butanol concentration reached 1 g / L after 6 hours, product stripping via nitrogen stripping was initiated at a gas flow rate of 2 vvm N 2 . Batch feeding mode operation began approximately 15 hours after inoculation. Once the sugar concentration in the vessel was reduced to less than the set value (26 g · L -1 ), the media reservoir pump was connected and operated. The media store provided new sugars and nutrients. Feed pumps operated automatically and intermittently according to glucose uptake and culture growth. The temperature was maintained at 32 3 C and the control system was adjusted to maintain a minimum of agitation (50-70 rpm). The pH was not controlled.

산물과 기질의 분석Analysis of products and substrates

실시예 1에서 설명한 바와 같다.As described in the first embodiment.

결과result

도 5는, 발효 과정 동안 용매의 축적을 도시한다(포획된 용매의 합은 외부에 나머지는 발효기 내에 남아 있다). 얻어진 최종 용매 적정농도는, 종래의 배치 발효, 즉, 실시예 3에서 얻어진 것보다 훨씬 높다.Figure 5 shows the accumulation of solvent during the fermentation process (the sum of the trapped solvent remaining outside and the rest remaining in the fermenter). The final optimum solvent concentration obtained is much higher than that obtained in the conventional batch fermentation, that is, Example 3.

도 6은, 용매 생산성과 당 흡수 간의 상관을 도시하고, 발효 동안 추가 당을 첨가하고 용매가 생산됨에 따라 용매를 제거함으로써 피크 용매 생산성이 확장되었음을 도시한다(플롯팅된 데이터가 축적 평균이다).Figure 6 shows the correlation between solvent productivity and glucose uptake and shows that peak solvent productivity has been expanded by adding additional sugars during fermentation and removing the solvent as the solvent is produced (the plotted data is the accumulation average).

도 7은 세포 성장과 (광 밀도에 의해 특정된) 밀도와 용매 생산성 간의 직접적인 상관을 도시한다(플롯팅된 데이터가 축적 평균이다).Figure 7 shows a direct correlation between cell growth and density (as determined by optical density) and solvent productivity (the plotted data are cumulative averages).

발효가 제어된 용매 농도 값은, 성장 속도 및 결국에 당 흡수와 용매 생산 속도에 상당한 영향을 끼치는 것으로 밝혀졌다. 공급 상 전체에 걸쳐 확장된 기간 동안 고 용매 생산 속도를 유지하였으며, 배양물이 최대 성장 속도에서 또는 최대 성장 속도에 가깝게 성장하고 있음을 나타내었다. 발효가 164시간 동안 지속되었으며, 그 중 53.5시간은 공급을 위한 것이었다. 용매* 생산성은 공급 기간 동안 0.90g/L/h이었고, 총 발효 기간 동안 0.79g/L/h이었으며, 당 흡수율은 공급 기간과 총 발효 기간에 걸쳐 각각 2.9 및 2.7g/L/h이었고, 수율은 공급 기간과 총 발효 기간에 걸쳐 각각 0.32 및 0.30g 용매*/사용된 당 g이었다(* 주의: '용매' 데이터는 수집된 용매에 기초한 것이며, 생산된 용매의 상당 부분은 포획되지 않았으며, 이에 따라 생산된 용매의 실제 값은 더욱 높을 것이다).It has been found that fermentation controlled solvent concentration values have a significant effect on growth rate and eventually on glucose uptake and solvent production rate. High solvent production rates were maintained over an extended period of time throughout the feed phase and the cultures were growing at or near maximum growth rate. The fermentation lasted for 164 hours, of which 53.5 hours were for feed. The productivity of the solvent was 0.90 g / L / h during the feeding period, 0.79 g / L / h during the total fermentation period, and the sugar uptake rate was 2.9 and 2.7 g / L / h over the feeding period and the total fermentation period, Were 0.32 and 0.30 g solvent * / g sugar used, respectively, throughout the feed and total fermentation periods (* Note: 'Solvent' data are based on the collected solvent and a significant portion of the produced solvent was not captured, So that the actual value of the solvent produced will be higher).

실시예Example 5: 글루코오스의5: Glucose 배치 공급 발효 Batch fed fermentation

목적purpose

고 생산 속도에서 단상 용매생성 클로스트리듐을 배양하기 위한 전술한 배치 공급 시스템(실시예 4)이 예를 들어 결정화된 글루코오스인 다른 당원을 사용해도 유효하게 기능함을 입증하는 것이다.Demonstrating that the batch delivery system described above (Example 4) for culturing single-phase solvent-producing clostridium at high production rates effectively functions using other sugars, for example crystallized glucose.

물질과 방법Materials and methods

박테리아 스트레인Bacterial strain

용매생성 클로스트리듐 사카로퍼부틸아세토니쿰 스트레인 N1-4(HMT)를 실시예 2에서 설명한 바와 같이 배양하였다.Solvent-producing clostridium saccharopheyl acetonucleoside strains N1-4 (HMT) were cultured as described in Example 2.

발효 배지Fermentation medium

결정화된 글루코오스가 발효 배지를 위한 주 탄소원이었다. 발효 용기에서 53g·L-1의 당 농도로 1.55L의 초기 부피에서 실험을 시작한 후 2.5g·L-1의 트립톤, 2.5g·L-1의 효모 추출물, 0.5g·L-1의 (NH4)2SO4, 0.025g·L-1의 FeSO4, 및 3g·L-1의 CaCO3를 보충하였다. Crystallized glucose was the major carbon source for the fermentation medium. After the fermentation vessel began to experiment in the initial volume of 1.55L to a sugar concentration of 53g · L -1 of 2.5g · Trip ton of L -1, 2.5g · L -1 yeast extract, 0.5g · L -1 of ( NH 4 ) 2 SO 4 , 0.025 g · L -1 FeSO 4 , and 3 g · L -1 CaCO 3 were supplemented.

공급 배지Supply badge

3.8g·L-1의 효모 추출물, 3.8g·L-1의 트립톤, 0.8g·L-1의 (NH4)2SO4, 0.05g·L-1의 FeSO4 및 CaCO3 영양분들과 함께, 492g·L-1 농도의 글루코오스 용액 650mL의 추가 공급물3.8 g L -1 yeast extract, 3.8 g L -1 tryptone, 0.8 g L -1 (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.05 g L -1 FeSO 4 And CaCO 3 nutrients, an additional feed of 650 mL of a glucose solution at a concentration of 492 g · L -1

당액과 영양분 베이스 배지를 배치 처리하고 개별적으로 살균하였다.The sugar solution and nutrient-based media were batch processed and individually sterilized.

배양 조건Culture conditions

2L 발효기에서 발효를 실시하였다. 발효기는 기체 배출기, 교반기, 샘플링 포트, pH 및 온도 센서들을 구비하였다. 발효는 7.5% v/v 시드 배양물에 의한 접종에 의해 개시되었다. 7.5% v/v 시드 배양물에 의한 접종을 48시간마다 반복하였다.The fermentation was carried out in a 2L fermenter. The fermenter was equipped with a gas ejector, a stirrer, a sampling port, pH and temperature sensors. Fermentation was initiated by inoculation with 7.5% v / v seed culture. Inoculation with 7.5% v / v seed culture was repeated every 48 hours.

공급 용기(1L)를 발효기에 연결하였다. 일단 초기 당 농도가 ~25g/L 미만으로 강하되었다면, 공급물 첨가(농축된 당 및 영양분의 합)를 시작하였고, 기체 스트립핑(≥2 vvm)에 의한 산물 제거도 시작하였다. 공급 펌프는 당 흡수율과 배양물 성장에 따라 자동적으로 그리고 간헐적으로 작동하였다. 온도를 32±1℃에서 유지하고 최소한의 교반(50 내지 70rpm)을 유지하도록 제어 시스템을 맞추었다.The feed container 1L was connected to a fermenter. Once the initial sugar concentration had dropped to less than ~ 25 g / L, feed addition (concentrated sugar and nutrient addition) was started and product stripping by gas stripping (≥2 vvm) began. Feed pumps operated automatically and intermittently according to sugar uptake and culture growth. The control system was adjusted to maintain the temperature at 32 1 C and maintain a minimum of agitation (50-70 rpm).

산물과 기질의 분석Analysis of products and substrates

실시예 1에서 설명한 바와 같다.As described in the first embodiment.

결과result

결과는 도 8에 도시되어 있다. 그래프는 발효 과정 동안 용매의 축적을 도시한다. 발효가 216.5시간 동안 지속되었으며, 그 중 191시간은 공급을 위한 것이었다. 용매* 생산성은 공급 기간 동안 0.57g/L/h이었고, 총 발효 기간 동안 0.53g/L/h이었으며, 당 흡수율은 공급 기간과 총 발효 기간에 걸쳐 각각 2.1 및 2.0g/L/h이었고, 수율은 공급 기간과 총 발효 기간에 걸쳐 각각 0.21 및 0.20g 용매*/사용된 당 g이었다(* 주의: '용매' 데이터는 수집된 용매에 기초한 것이며, 생산된 용매의 상당 부분은 포획되지 않았으며, 이에 따라 생산된 용매의 실제 값은 더욱 높을 것이다).The result is shown in Fig. The graph shows the accumulation of solvent during the fermentation process. Fermentation lasted 216.5 hours, of which 191 hours were for feed. The productivity of the solvent was 0.57 g / L / h during the feeding period, 0.53 g / L / h during the total fermentation period, and the sugar uptake rate was 2.1 and 2.0 g / L / h respectively over the feeding period and the total fermentation period, Were 0.21 and 0.20 g solvent * / g sugar used, respectively, throughout the feed and total fermentation periods (* Note: 'solvent' data are based on the collected solvent and a significant portion of the produced solvent was not captured, So that the actual value of the solvent produced will be higher).

실시예Example 6: 글루코오스의 파일럿 규모 배치 공급 발효 6: Pilot-scale batch fed fermentation of glucose

목적purpose

이 배치 공급 발효 공정이 글루코오스를 주 당원으로서 사용하여 파일럿 규모에서 유효하게 기능함을 입증하는 것이다. 이 실시예의 시스템은, 배양 용기의 외부에서 세포들을 발효 액체배지로부터 제거하는 멤브레인 여과 유닛(세포 분리기)을 포함한다. 세포들은 배양 용기 내로 다시 재순환되고, 세포들을 뺀 배양 액체 배지는, 용매를 액체 배양 배지로부터 분리하는 증류 컬럼(용매 제거기)에 공급된다. 증류액은 배양 용기로 복귀된다(도 1 참조).This batch feed fermentation process proves that glucose works effectively on a pilot scale using it as a major sugar source. The system of this embodiment includes a membrane filtration unit (cell separator) that removes cells from the fermentation broth outside the culture vessel. The cells are recirculated back into the culture vessel and the culture broth minus the cells is supplied to a distillation column (solvent remover) which separates the solvent from the liquid culture medium. The distillate is returned to the culture vessel (see Fig. 1).

박테리아 스트레인Bacterial strain

용매생성 클로스트리듐 사카로퍼부틸아세토니쿰 스트레인 N1-4(HMT)를 32±1℃에서 16시간 내지 18시간 동안 무산소 상태에서 38g·L1 Difco RCM 배지에서 배양하였다. 이것의 150mL를 사용하여, 리치 글로코오스 배지/시드(글루코오스 40g/L, 효모 추출물 5g/L, 미트(meat) 펩톤 5g/L, (NH4)2SO4 2g/L, FeSO4 0.05g/L 및 초산나트륨 삼수화물 3g/L)를 함유하는 5L 시드 카보이(carboy)를 접종하였다. 이것을 5.25시간 동안 배양하여 5L의 시드를 생성하였다. Solvent-producing clostridium saccharoprotein acetonucleoside strains N1-4 (HMT) were cultured in 38 g · L 1 Difco RCM medium at 32 ± 1 ° C for 16 to 18 hours in anoxic condition. L of glucose, 40 g / L of glucose, 5 g / L of yeast extract, 5 g / L of meat peptone, 2 g / L of (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.05 g / L of FeSO 4 , L and sodium triacetate trihydrate (3 g / L) were inoculated with 5 L seed carboy (carboy). This was incubated for 5.25 hours to generate 5 L of seed.

발효 배지Fermentation medium

글루코오스를 발효 배지를 위한 주 탄소원으로서 사용하였다. 다음에 따르는 배지 150L를 제조하였다. 즉, 글루코오스 60g/L, 효모 추출물 2.5g/L, 미트 펩톤 2.5g/L, (NH4)2SO4 2g/L, FeSO4 0.05g/L, 옥수수 오일 0.1% v/v, 소포제(Suppressor 2343) 0.03g/L.Glucose was used as the primary carbon source for the fermentation broth. 150 L of the following medium was prepared. L of peptone, 2 g / L of (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.05 g / L of FeSO 4 , 0.1% v / v of corn oil, 2343) 0.03 g / L.

공급 배지Supply badge

450g/L 글루코오스를 함유하는 50L의 농축 당 공급물.50 L concentrated feed containing 450 g / L glucose.

16L의 영양분 첨가 용액은, 효모 추출물 58g/L, 미트 펩톤 58g/L, (NH4)2SO4 17g/L, FeSO4 0.4g/L 및 옥수수 오일 oil 0.4% v/v를 포함한다. The 16 L nutrient addition solution contains 58 g / L yeast extract, 58 g / L meat peptone, 17 g / L (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.4 g / L FeSO 4 and 0.4% v / v corn oil oil.

당액과 영양분 기반 배지를 배치 처리하고 개별적으로 살균하였다.The sugar and nutrient-based media were batch processed and individually sterilized.

배양 조건Culture conditions

140L 발효기에서 발효를 개시하여, 초기에 105L의 발효 배지를 5L의 시드와 결합하였다.Initiation of fermentation in a 140 L fermentor, initially 105 L of fermentation medium was combined with 5 L of seed.

온도를 30.5±0.3℃에서 유지하였다. pH는, 10-25% w/v NaOH를 사용하여 pH 조절이 pH 5.3에서 시작될 때까지 접종 후 빠르게 강하되었다.The temperature was maintained at 30.5 ± 0.3 ° C. The pH dropped rapidly after inoculation until pH control started at pH 5.3 using 10-25% w / v NaOH.

산물과 기질의 분석Analysis of products and substrates

실시예 1에서 설명한 바와 같다.As described in the first embodiment.

결과result

결과는 도 9에 도시되어 있다. 플롯팅된 값들은 5개의 지점 평균들이다. 그래프는, 약 50시간 동안 고 용매 생산성을 유지할 수 있고 당 흡수와 용매 생산 간의 직접적인 상관이 있음을 도시한다. 전체 102.5시간의 발효 동안 평균 생산성은 0.68g/L/h이었고, 52시간의 배치 공급 상 동안의 생산성은 1.11g/L/h이었고, 전체 102.5시간 발효에 걸친 당 소모는 1.91g/L/h이었고, 52시간의 배치 공급 상 동안의 당 소모는 2.77g/L/h이었고, 120L의 최종 부피에 기초한 용매 생산은 70g/L이었고, 소모된 당에 대한 ABE 수율은 35.7%이었고, 부탄올 비는 76%이었다.The result is shown in FIG. The plotted values are five point averages. The graph shows that there is a direct correlation between glucose uptake and solvent production, which can maintain high solvent productivity for about 50 hours. During the entire 102.5 hours fermentation, the average productivity was 0.68 g / L / h, the productivity during the batch feed phase of 52 hours was 1.11 g / L / h and the sugar consumption over the entire 102.5 hours fermentation was 1.91 g / L / h , The consumption of sugar per batch feed phase of 52 hours was 2.77 g / L / h, the solvent production based on the final volume of 120 L was 70 g / L, the ABE yield to consumed sugar was 35.7%, and the butanol ratio 76%.

실시예Example 7: 정제된 옥수수  7: Refined corn 매시의Hourly 파일럿 규모 배치 공급 발효  Pilot scale batch feed fermentation

목적purpose

이 배치 공급 발효 공정이 정제된 옥수수 매시를 주 당원으로서 사용하여 파일럿 규모에서 유효하게 기능함을 입증하는 것이다. 이 실시예의 시스템은, 배양 용기의 외부에서 세포들을 발효 액체배지로부터 제거하는 멤브레인 여과 유닛(세포 분리기)을 포함한다. 세포들은 배양 용기 내로 다시 재순환되고, 세포들을 뺀 배양 액체 배지 중 일부는, 용매를 액체 배양 배지로부터 분리하는 증류 컬럼(용매 제거기)에 공급된다. 증류액은 배양 용기로 복귀된다(도 1 참조).This batch feed fermentation process proves to work effectively on a pilot scale using refined corn mash as a state party. The system of this embodiment includes a membrane filtration unit (cell separator) that removes cells from the fermentation broth outside the culture vessel. The cells are recirculated back into the culture vessel, and some of the culture broth minus the cells are fed to a distillation column (solvent remover) which separates the solvent from the liquid culture medium. The distillate is returned to the culture vessel (see Fig. 1).

박테리아 스트레인Bacterial strain

용매생성 클로스트리듐 사카로퍼부틸아세토니쿰 스트레인 N1-4(HMT)를 32±1℃에서 16시간 내지 18시간 동안 무산소 상태에서 38g·L1 Difco RCM 배지에서 배양하였다. 이것의 150mL를 사용하여, 리치 정제된 옥수수 매시 배지/시드(40g/L 당에 등가인 정제된 옥수수 매시, 효모 추출물 5g/L, 미트 펩톤 5g/L, (NH4)2SO4 2g/L, FeSO4 0.05g/L 및 초산나트륨 삼수화물 3g/L)를 함유하는 5L를 접종하였다. 이것을 5.25시간 동안 배양하여 5L의 시드를 생성하였다.Solvent-producing clostridium saccharoprotein acetonucleoside strains N1-4 (HMT) were cultured in 38 g · L 1 Difco RCM medium at 32 ± 1 ° C for 16 to 18 hours in anoxic condition. Using 150 mL of this, 150 μL of a purified refined corn meal medium / seed (refined corn silicate, yeast extract 5 g / L, mitepectone 5 g / L, equivalent to 40 g / L, (NH 4 ) 2 SO 4 2 g / L , 0.05 g / L FeSO 4 and 3 g / L sodium acetate trihydrate). This was incubated for 5.25 hours to generate 5 L of seed.

발효 배지Fermentation medium

정제된 옥수수 매시를 발효 배지를 위한 주 탄소원으로서 사용하였다. 다음에 따르는 배지 105L를 제조하였다. 즉, 60g/L 당에 등가인 정제된 옥수수 매시, 효모 추출물 2.5g/L, (NH4)2SO4 2g/L, 및 FeSO4 0.05g/L).The refined corn meal was used as the main carbon source for the fermentation medium. 105 L of the following medium was prepared. 2.5 g / L of yeast extract, 2 g / L of (NH 4 ) 2 SO 4 , and 0.05 g / L of FeSO 4 ), equivalent to 60 g / L of purified corn silicate.

공급 배지Supply badge

270g/L 당에 등가인 정제된 옥수수 매시를 함유하는 75L의 농축 당 공급물.A 75 L concentrate feed containing purified corn mash equal to 270 g / L.

8L의 영양분 첨가 용액은, 효모 추출물 95g/L, (NH4)2SO4 65g/L, 및 FeSO4 1.7g/L를 포함한다. The 8 L nutrient addition solution contains 95 g / L yeast extract, 65 g / L (NH 4 ) 2 SO 4 , and 1.7 g / L FeSO 4 .

당액과 영양분 기반 배지를 배치 처리하고 개별적으로 살균하였다.The sugar and nutrient-based media were batch processed and individually sterilized.

배양 조건Culture conditions

140L 발효기에서 발효를 개시하여, 초기에 100L의 발효 배지를 5L의 시드와 결합하였다.Initiation of fermentation in a 140 L fermenter, initially 100 L of fermentation medium was combined with 5 L of seed.

온도를 30.5±0.3℃에서 유지하였다. pH는, 10-25% w/v NaOH를 사용하여 pH 조절이 pH 5.3에서 시작될 때까지 접종 후 빠르게 강하되었다.The temperature was maintained at 30.5 ± 0.3 ° C. The pH dropped rapidly after inoculation until pH control started at pH 5.3 using 10-25% w / v NaOH.

산물과 기질의 분석Analysis of products and substrates

실시예 1에서 설명한 바와 같다.As described in the first embodiment.

결과result

결과는 도 10에 도시되어 있다. 플롯팅된 값들은 5개의 지점 평균들이다. 그래프는, 산업용 옥수수 기반 공급원료를 사용하여 약 50시간 동안 고 당 흡수와 용매 생산성을 유지할 수 있음을 도시한다.The results are shown in FIG. The plotted values are five point averages. The graph shows that industrial corn-based feedstocks can be used to maintain solids absorption and solvent productivity for about 50 hours.

110시간 발효 사이클(97.75시간의 발효 + CIP(제 위치에서의 세척) + 왕복 시간)에 걸친 평균 생산성은 0.87g/L/h이었고, 52시간의 배치 공급 상 동안의 생산성은 1.51g/L/h이었고, 110시간의 발효 사이클 동안의 당 소모는 2.84g/L/h이었고, 52시간의 배치 공급 상 동안의 당 소모는 5.25g/L/h이었고, 105L의 최종 부피에 기초한 용매 생산은 96g/L이었고, 소모되는 당에 대한 ABE 수율은 30.6%이었고, 부탄올 비는 61.5%이었다.The average productivity over the 110 hour fermentation cycle (97.75 hours fermentation + CIP (cleaning at the site) + reciprocating time) was 0.87 g / L / h and productivity during the batch delivery phase of 52 hours was 1.51 g / L / h, the sugar consumption during the 110 hour fermentation cycle was 2.84 g / L / h, the sugar consumption during the 52 hour batch feed phase was 5.25 g / L / h and the solvent production based on the final volume of 105 L was 96 g / L, and the ABE yield was 30.6% and the butanol ratio was 61.5% for the saccharide consumed.

실시예Example 8: 기체 생산 감시를 이용한 당밀의 파일럿 규모 배치 공급 발효 8: Pilot-scale batch batch feed fermentation using gas production monitoring

목적purpose

이 배치 공급 발효 공정이 당밀을 주 당원으로서 사용하여 파일럿 규모에서 유효하게 기능함을 입증하는 것이다. 이 실시예의 시스템은, 배양 용기의 외부에서 세포들을 발효 액체배지로부터 제거하는 멤브레인 여과 유닛(세포 분리기)을 포함한다. 세포들은 배양 용기 내로 다시 재순환되고, 세포들을 뺀 배양 액체 배지는, 용매를 액체 배양 배지로부터 분리하는 증류 컬럼(용매 제거기)에 공급된다. 증류액은 배양 용기로 복귀된다(도 1 참조). 또한, 발효로부터 기체를 감시한다.This batch feed fermentation process demonstrates that molasses is used effectively as a primary feedstock and functions effectively on a pilot scale. The system of this embodiment includes a membrane filtration unit (cell separator) that removes cells from the fermentation broth outside the culture vessel. The cells are recirculated back into the culture vessel and the culture broth minus the cells is supplied to a distillation column (solvent remover) which separates the solvent from the liquid culture medium. The distillate is returned to the culture vessel (see Fig. 1). It also monitors the gases from fermentation.

박테리아 스트레인Bacterial strain

용매생성 클로스트리듐 사카로퍼부틸아세토니쿰 스트레인 N1-4(HMT)를 32±1℃에서 16시간 내지 18시간 동안 무산소 상태에서 38g·L1 Difco RCM 배지에서 배양하였다. 이것의 150mL를 사용하여, 리치 당밀 배지/시드(35g/L 당에 등가인 당밀, 효모 추출물 5g/L, 미트 펩톤 5g/L, (NH4)2SO4 2g/L, FeSO4 0.05g/L 및 초산나트륨 삼수화물 3g/L)를 함유하는 5L를 접종하였다. 이것을 5.25시간 동안 배양하여 5L의 시드를 생성하였다. Solvent-producing clostridium saccharoprotein acetonucleoside strains N1-4 (HMT) were cultured in 38 g · L 1 Difco RCM medium at 32 ± 1 ° C for 16 to 18 hours in anoxic condition. L of molasses, 5 g / L of meat yeast extract, 5 g / L of meat peptone, 2 g / L of (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.05 g / L of FeSO 4 , L and sodium triacetate trihydrate 3 g / L). This was incubated for 5.25 hours to generate 5 L of seed.

발효 배지Fermentation medium

사탕수수 당밀을 발효 배지를 위한 주 탄소원으로서 사용하였다. 다음에 따르는 배지 105L를 제조하였다. 즉, 50g/L 당에 등가인 사탕수수 당밀, 효모 추출물 2.5g/L, 미트 펩톤 2.5g/L, (NH4)2SO4 2g/L, 및 FeSO4 0.05g/L, 옥수수 오일 0.1% v/v 및 소포제(Suppressor 2343) 0.03g/L).The sugarcane molasses was used as the main carbon source for the fermentation medium. 105 L of the following medium was prepared. L of peptone, 2 g / L of (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.05 g / L of FeSO 4 , 0.1% of corn oil, 50 g / L of yeast extract, v / v and defoamer (Suppressor 2343) 0.03 g / L).

공급 배지Supply badge

350g/L 당에 등가인 사탕수수 당밀을 함유하는 50L의 농축 당 공급물.A 50 L concentrate feed containing sugar cane molasses equivalent to 350 g / L.

16L의 영양분 첨가 용액은, 효모 추출물 34g/L, 미트 펩톤 34g/L, (NH4)2SO4 20g/L, FeSO4 0.5g/L, 및 옥수수 오일 0.6%를 포함한다. 16 L of the nutrient addition solution contains 34 g / L of yeast extract, 34 g / L of meatpeptone, 20 g / L of (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.5 g / L of FeSO 4 and 0.6% of corn oil.

당액과 영양분 기반 배지를 배치 처리하고 개별적으로 살균하였다.The sugar and nutrient-based media were batch processed and individually sterilized.

배양 조건Culture conditions

140L 발효기에서 발효를 개시하여, 초기에 105L의 발효 배지를 5L의 시드와 결합하였다.Initiation of fermentation in a 140 L fermentor, initially 105 L of fermentation medium was combined with 5 L of seed.

온도를 30.5±0.3℃에서 유지하였다. 탄산칼슘 또는 기타 완충제를 첨가하지 않았다. pH는, 10-25% w/v NaOH를 사용하여 pH 조절이 pH 5.3에서 시작될 때까지 접종 후 빠르게 강하되었다.The temperature was maintained at 30.5 ± 0.3 ° C. No calcium carbonate or other buffer was added. The pH dropped rapidly after inoculation until pH control started at pH 5.3 using 10-25% w / v NaOH.

배양 용기의 부탄올 농도를 6g/l 미만으로 유지하였고, 배양 용기의 당 농도를 공급 동안 20g/L 내지 30g/L에서 유지하였다.The butanol concentration of the culture vessel was kept below 6 g / l and the sugar concentration of the culture vessel was maintained at 20 g / L to 30 g / L during feeding.

산물과 기질의 분석Analysis of products and substrates

실시예 1에서 설명한 바와 같다.As described in the first embodiment.

결과result

결과는 도 11과 도 12에 도시되어 있다. 플롯팅된 값들은 5개의 지점 평균들이다. 도 11은, 발효 동안 당 흡수와 용매 생산성 간의 상관을 도시하며, 산업용 당밀 기반 공급원료를 사용하여 확장된 기간 동안 고 당 흡수와 용매 생산성을 유지할 수 있음을 나타낸다. 도 12는 발효 동안 기체 생산과 용매 생산성 간의 상관을 도시한다.The results are shown in FIG. 11 and FIG. The plotted values are five point averages. Figure 11 shows the correlation between glucose uptake and solvent productivity during fermentation and indicates that high molar absorption and solvent productivity can be maintained for extended periods using industrial molasses-based feedstocks. Figure 12 shows the correlation between gas production and solvent productivity during fermentation.

67시간의 발효 동안의 평균 생산성은 0.60g/L/h이었고, 30시간의 배치 공급 상 동안의 생산성은 0.95g/L/h이었고, 67시간의 발효 동안의 당 소모는 1.67g/L/h이었고, 30시간의 배치 공급 상 동안의 당 소모는 2.74g/L/h이었고, 소모되는 당에 대한 ABE 수율은 35.8%이었고, 부탄올 비는 75%이었다.The average productivity during the 67 hour fermentation was 0.60 g / L / h, the productivity during the 30 hour batch feed phase was 0.95 g / L / h and the sugar consumption during the 67 hour fermentation was 1.67 g / L / h , The sugar consumption during the 30 hour batch feed phase was 2.74 g / L / h, the ABE yield for the consumed sugar was 35.8%, and the butanol ratio was 75%.

Claims (20)

(a) 배양 용기 내의 액체 배양 배지에서 단상 용매생성 클로스트리듐 세포들을 배양하는 단계;
(b) 상기 배양 용기 내의 상기 단상 용매생성 클로스트리듐 세포들의 세포 성장을 감시하는 단계;
(c) 새로운 배양 배지 및/또는 영양분을 상기 배양 용기 내에 연속적으로 또는 반(semi)연속적으로 도입하는 단계;
(d) 용매(들)를 포함하는 액체 배양 배지의 스트림 또는 일부를 상기 배양 용기로부터 연속적으로 또는 반연속적으로 제거하고, 상기 액체 배양 배지를 용매 제거기에 전달하는 단계;
(e) 상기 배양 용기 내의 세포 밀도를 유지하거나 증가시키는 단계를 포함하고,
상기 세포들은 단상 클로스트리듐 사카로퍼부틸아세토니쿰으로부터 유래한 것이며,
상기 배양 용기의 세포 성장은,
(i) 상기 배양 용기 내에 도입되는 새로운 배양 배지 또는 영양분의 양 또는 속도, 및/또는
(ii) 상기 배양 용기로부터 제거되는 상기 용매(들)를 포함하는 액체 배양 배지의 양 또는 속도를 제어함으로써, 조절 및/또는 최적화되는,
용매 생산을 위한 단일-스테이지 유가식(fed-batch) 또는 연속적인 공정.
(a) culturing single-phase solvent-producing clostridia cells in a liquid culture medium in a culture vessel;
(b) monitoring cell growth of the single-phase solvent-produced Clostridia cells in the culture vessel;
(c) introducing new culture medium and / or nutrients continuously or semi-continuously into the culture vessel;
(d) continuously or semi-continuously removing the stream or part of the liquid culture medium containing solvent (s) from the culture vessel and delivering the liquid culture medium to a solvent remover;
(e) maintaining or increasing the cell density in the culture vessel,
These cells are derived from monoclonal clostridial sacaropteryl acetonickum ,
The cell growth of the culture vessel is carried out,
(i) the amount or rate of new culture medium or nutrient to be introduced into the culture vessel, and / or
(ii) controlling and / or controlling the amount or rate of the liquid culture medium comprising the solvent (s) removed from the culture vessel,
Single-stage fed-batch or continuous process for solvent production.
제1항에 있어서,
상기 (e) 단계는,
e) 상기 배양 용기 내의 세포 밀도를 증가시키는 단계를 포함하고,
상기 배양 용기의 세포 성장은,
(i) 상기 배양 용기 내에 도입되는 새로운 배양 배지 또는 영양분의 양 또는 속도, 및/또는
(ii) 상기 배양 용기로부터 제거되는 상기 용매(들)를 포함하는 액체 배양 배지의 양 또는 속도를 제어함으로써, 조절 및/또는 최적화되고,
상기 공정은 세포 성장을 유지하고 상기 배양 용기 내의 세포 밀도를 최적화하며, 당 이용과 용매 생산을 최대화하는, 공정.
The method according to claim 1,
The step (e)
e) increasing the cell density in the culture vessel,
The cell growth of the culture vessel is carried out,
(i) the amount or rate of new culture medium or nutrient to be introduced into the culture vessel, and / or
(ii) controlling the amount or rate of the liquid culture medium comprising the solvent (s) removed from the culture vessel,
Wherein said process maintains cell growth, optimizes cell density in said culture vessel, and maximizes sugar utilization and solvent production.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 단상 클로스트리듐은,
(a) 배치 발효의 주요 성장 단계 동안 동시 성장과 용매 생산을 자연스럽게 표시하고,
(b) 성장 동안 용매를 생산하도록 화학적으로 변형되었고, 또는
(c) 성장 동안 용매를 생산하도록 유전적으로 개질된, 공정.
3. The method according to claim 1 or 2,
The monoclinic clostridium may be,
(a) naturally mark concurrent growth and solvent production during the main growth phase of batch fermentation,
(b) chemically modified to produce a solvent during growth, or
(c) a genetically modified process to produce a solvent during growth.
제3항에 있어서,
상기 클로스트리듐은 단상 클로스트리듐 사카로퍼부틸아세토니쿰 N1 스트레인, 바람직하게, N1-4(HMT) 또는 N1-504, 또는 그의 변이체 또는 유도체인, 공정.
The method of claim 3,
Wherein said clostridium is a monoclonal clostridial saccharoprotein acetonucleic N1 strain, preferably N1-4 (HMT) or N1-504, or a variant or derivative thereof.
제1항 내지 제4항 중 어느한 항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
(i) 하나 이상의 기체의 생산을 감시하는 단계;
(ii) 하나 이상의 산의 생산을 감시하는 단계;
(iii) 배양 배지의 pH를 감시하는 단계;
(iv) 당의 이용을 감시하는 단계;
(v) 세포 밀도를 감시하는 단계; 및
(vi) 하나 이상의 용매의 생산을 감시하는 단계 중 하나 이상에 의해 세포 성장을 감시하는 단계를 포함하는, 공정.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
The step (b)
(i) monitoring the production of one or more gases;
(ii) monitoring the production of one or more acids;
(iii) monitoring the pH of the culture medium;
(iv) monitoring the usage per party;
(v) monitoring the cell density; And
(vi) monitoring the production of one or more solvents.
제1항 내지 제5항 중 어느한 항에 있어서,
세포 성장의 감시 레벨은 기준 레벨과 비교되며, 감시된 레벨이 기준 레벨보다 낮으면, 새로운 배지 또는 영양분이 상기 배양 용기 내에 도입되고 및/또는 용매를 포함하는 액체 배지가 상기 배양 용기로부터 제거되는, 공정.
6. The method according to any one of claims 1 to 5,
The monitoring level of cell growth is compared with a reference level and, if the monitored level is lower than the reference level, a new medium or nutrient is introduced into the culture vessel and / or a liquid medium containing solvent is removed from the culture vessel. fair.
제1항 내지 제6항 중 어느한 항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
상기 배양 용기로부터 액체 배양 배지의 스트림 또는 일부를 연속적으로 또는 반연속적으로 제거하고 스트림/일부를 세포 분리기를 통해 용매 제거기에 전달하는 단계를 포함하고, 바람직하게,
(i) 세포들은 세포 분리기에서 액체 배양 배지로부터 제거되고, 세포들은 (선택 사항으로 세포 시더(seeder)를 통해) 배양 용기로 복귀되며, 및/또는
(ii) 상기 용매는 용매 제거기에서 액체 배양 배지로부터 제거되고, 남아 있는 액체 배양 배지는 배양 용기로 복귀되는, 공정.
7. The method according to any one of claims 1 to 6,
The step (d)
Continuously or semicontinuously removing a stream or part of the liquid culture medium from the culture vessel and delivering the stream / portion to the solvent remover via a cell separator,
(i) the cells are removed from the liquid culture medium in a cell separator, the cells are returned to the culture vessel (optionally via a cell seeder), and / or
(ii) the solvent is removed from the liquid culture medium in a solvent remover, and the remaining liquid culture medium is returned to the culture vessel.
제1항 내지 제7항 중 어느한 항에 있어서,
상기 용매 추출은 연속적으로 수행되는, 공정.
8. The method according to any one of claims 1 to 7,
Wherein the solvent extraction is carried out continuously.
제1항 내지 제8항 중 어느한 항에 있어서,
용매(들)을 포함하는 액체 배양 배지는 상기 액체 배양의 용매 농도를 원하는 용매 농도점 미만에서 유지하는 속도로 상기 배양 용기로부터 제거되는, 공정.
9. The method according to any one of claims 1 to 8,
Wherein the liquid culture medium comprising the solvent (s) is removed from the culture vessel at a rate to maintain the solvent concentration of the liquid culture below a desired solvent concentration point.
제9항에 있어서,
상기 농도점은 상기 용매생성 클로스트리듐에 대한 독성 임계값인, 공정.
10. The method of claim 9,
Wherein the concentration point is a toxicity threshold for the solvent-produced Clostridium.
제9항에 있어서,
상기 정의된 용매 농도점은 8-10g 부탄올/L인, 공정.
10. The method of claim 9,
Wherein the defined solvent concentration point is 8-10 g butanol / L.
제1항 내지 제11항 중 어느한항에 있어서,
상기 배양 용기의 부탄올 농도는 10g/L를 초과하지 않는, 공정.
12. The method according to any one of claims 1 to 11,
Wherein the butanol concentration of the culture vessel does not exceed 10 g / L.
제1항 내지 제12항 중 어느한항에 있어서,
상기 세포 밀도는,
(i) 용매(들)를 포함하는 액체 배양 배지로부터 제거되는 세포들을 다시 배양 용기로 재순환시키고; 및/또는
(ii) 세포 시더로부터 세포들을 배양 용기 내에 연속적으로 또는 반연속적으로 공급하고; 및/또는
(iii) 세포들 중 일부 또는 전부를 배양 용기 내에 고정함으로써, 배양 용기 내에서 유지되거나 증가되는, 공정.
13. The method according to any one of claims 1 to 12,
The cell density,
(i) recycling the cells removed from the liquid culture medium containing the solvent (s) back to the culture vessel; And / or
(ii) continuously or semicontinuously feeding cells from a cell cider into a culture vessel; And / or
(iii) the cell is maintained or increased in the culture vessel by securing some or all of the cells in the culture vessel.
제1항 내지 제13항 중 어느한항에 있어서,
상기 배양 용기의 당 함량은 5-30g/L로 유지되는, 공정.
14. The method according to any one of claims 1 to 13,
Wherein the sugar content of said culture vessel is maintained at 5-30 g / L.
제1항 내지 제14항 중 어느한항에 있어서,
상기 세포들은 최적으로 성장하여 용매를 생산하는 데 적합한 산화 환원 조건 하에 유지되는, 공정.
15. The method according to any one of claims 1 to 14,
Wherein said cells are maintained under redox conditions suitable for optimal growth to produce a solvent.
제1항 내지 제15항 중 어느한항에 있어서,
상기 단상 용매생성 클로스트리듐 세포들은 사전의 무산소 퍼지 없이 상기 배양 용기의 액체 배양 배지 내에 배양되는, 공정.
16. The method according to any one of claims 1 to 15,
Wherein the single-phase solvent-produced Clostridia cells are cultured in a liquid culture medium of the culture vessel without prior anaerobic purging.
(i) 액체 배양 배지 내에 용매생성 클로스트리듐을 배양하기 위한 배양 용기;
(ii) 배양 용기 내의 세포들의 성장을 감시하기 위한 감시 장치;
(iiia) 배양 용기와 유체 연통하며, 클로스트리듐 세포들을 배양 용기에 제공하도록 구성된 세포 시더, 및/또는 (iiib) 배양 용기와 유체 연통하며, 액체 배양 배지를 배양 용기로부터 수용하고, 용매생성 클로스트리듐 세포들을 액체 배양 배지로부터 분리하도록 구성되고, 또한 분리된 세포들을 배양 용기로 복귀시키도록 구성된 세포 분리기;
(iv) 배양 용기와 유체 연통하며, 액체 배양 배지로부터 하나 이상의 용매를 분리하도록 또한 구성된 세포 분리기에 의해 선택 사항으로 제거된 세포로부터, 액체 배양 배지를 수용하도록 구성되고, 또한, 남아 있는 액체 배양 배지를 배양 용기로 복귀시키도록 구성된 용매 제거기;
(v) 배양 용기 내에 도입되는 새로운 배양 배지의 속도 또는 양 및/또는 세포 분리기로 전달되는 액체 배양 배지의 속도 또는 양을 제어하도록 배양 용기와 유체 연통하는 하나 이상의 흐름 조절기; 및
(vi) 감시 장치로부터 수신되는 입력에 따라 상기 하나 이상의 흐름 조절기를 제어하기 위한 하나 이상의 제어기를 포함하는
용매 생산을 위한 시스템.
(i) a culture vessel for culturing the solvent-producing clostridium in a liquid culture medium;
(ii) a monitoring device for monitoring the growth of cells in the culture vessel;
(ii) a cell seeder in fluid communication with the culture vessel and configured to provide clostridium cells to a culture vessel, and / or (iiib) a culture vessel in fluid communication with the culture vessel, A cell separator configured to separate the stridium cells from the liquid culture medium and configured to return the separated cells to the culture vessel;
(iv) a liquid culture medium that is configured to receive the liquid culture medium from cells optionally in fluid communication with the culture vessel and optionally removed by a cell separator configured to separate one or more solvents from the liquid culture medium, A solvent remover configured to return to the culture vessel;
(v) one or more flow regulators in fluid communication with the culture vessel to control the rate or amount of fresh culture medium introduced into the culture vessel and / or the rate or amount of liquid culture medium delivered to the cell separator; And
(vi) one or more controllers for controlling said one or more flow conditioners in accordance with an input received from a monitoring device
System for solvent production.
제17항에 있어서,
상기 시스템은,
(vii) 물의 벌크를 용매로부터 제거하도록 공정의 종료시 배양 배지가 안내되는 증류관;
(viii) 용매를 원하는 산물 명세로 정화하기 위한 하나 이상의 정류 컬럼;
(ix) COD/BOD를 감소시키기 위한, 선택 사항으로는 최종 배양 배지로부터 에너지를 또한 복귀시키기 위한 스틸리지(stillage) 처리부; 및
(x) 배양 용기와 유체 연통하는 당액 및/또는 영양분의 하나 이상의 저장소 중 하나 이상을 추가적으로 포함하는, 시스템.
18. The method of claim 17,
The system comprises:
(vii) a distillation tube through which the culture medium is guided at the end of the process to remove the bulk of the water from the solvent;
(viii) at least one rectifying column for purifying the solvent to the desired product specification;
(ix) a stillage treatment section for reducing COD / BOD, optionally also for returning energy from the final culture medium; And
(x) at least one of at least one reservoir of sugar solution and / or nutrient in fluid communication with the culture vessel.
제17항 또는 제18항에 있어서,
상기 배양 용기는 액체 배양 배지 내에 단상 용매생성 클로스트리듐 세포들을 포함하는, 시스템.
The method according to claim 17 or 18,
Wherein the culture vessel comprises single-phase solvent-producing Clostridia cells in a liquid culture medium.
제19항에 있어서,
상기 클로스트리듐은 단상 클로스트리듐 사카로퍼부틸아세토니쿰 N1 스트레인, 바람직하게, N1-4(HMT) 또는 N1-504, 또는 그의 변이체 또는 유도체인, 시스템.
20. The method of claim 19,
Wherein the clostridium is a single phase clostridial saccharoprotein acetonucleic N1 strain, preferably N1-4 (HMT) or N1-504, or a variant or derivative thereof.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201716845D0 (en) 2017-10-13 2017-11-29 Green Biologics Ltd Process
US20240067994A1 (en) 2022-08-24 2024-02-29 Braskem S.A. Process for the recovery of low-boiling point components from an ethanol stream

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2583060B1 (en) * 1985-06-06 1987-09-18 Inst Francais Du Petrole PRODUCTION OF BUTANOL AND ACETONE BY FERMENTATION WITH RECYCLING OF BIOMASS BY ULTRAFILTRATION
DE3905624A1 (en) 1989-02-23 1990-09-13 Biotechnolog Forschung Gmbh Process for the continuous fermentation of molasses with the aid of bacteria with produce butanol, acetone and ethanol as fermentation products
US20050089979A1 (en) 2003-09-18 2005-04-28 Ezeji Thaddeus C. Process for continuous solvent production
JP2005328801A (en) 2004-05-21 2005-12-02 Yanmar Co Ltd Method for producing butanol
US20070207531A1 (en) 2004-06-04 2007-09-06 Mongi Ferchichi Methods and bacterial strains for producing hydrogen from biomass
MX359740B (en) 2005-10-26 2018-10-09 Du Pont Fermentive production of four carbon alcohols.
GB0612301D0 (en) 2006-06-21 2006-08-02 Morvus Technology Ltd DNA molecules and methods
US8101808B2 (en) 2007-12-27 2012-01-24 Gevo, Inc. Recovery of higher alcohols from dilute aqueous solutions
EP2238257B1 (en) * 2007-12-24 2017-08-23 Reliance Life Sciences Pvt., Ltd. Process for production of high yield of biobutanol
GB0802842D0 (en) 2008-02-15 2008-03-26 Univ Nottingham Synthetic operon construction in clostridia
WO2009106835A2 (en) * 2008-02-28 2009-09-03 Green Biologics Limited Production process
CN101397576A (en) 2008-10-13 2009-04-01 中国科学院广州能源研究所 Method for fermentation production of acetone-butanol by using wheat starch pulp or wheat starch after extraction of wheat gluten as principal raw material
AU2010266035B2 (en) 2009-06-26 2015-02-12 Talfryn S.A. Integrated system and process for bioproduct production
US8968522B2 (en) 2009-07-15 2015-03-03 Butamax Advanced Biofuels Llc Recovery of butanol isomers from a mixture of butanol isomers, water, and an organic extractant
CN102286549A (en) 2011-06-21 2011-12-21 中国科学院广州能源研究所 Method for producing acetone and butanol by co-fermenting cellobiose, pentaglucose and hexose
WO2013027282A1 (en) * 2011-08-24 2013-02-28 住友商事株式会社 Novel method for producing butanol
US20130149757A1 (en) 2011-12-09 2013-06-13 Optinol, Inc. Method for Producing Butanol and Isopropanol
CN109266706A (en) 2011-12-22 2019-01-25 希乐克公司 Biomass processing
WO2013111762A1 (en) 2012-01-24 2013-08-01 株式会社日本触媒 Method for saccharification of biomass
CN102618479B (en) * 2012-04-24 2013-08-21 中南林业科技大学 Clostridium capable of tolerating high-concentration butanol and construction method and application of clostridium
CN102703493B (en) 2012-06-20 2016-08-17 中国科学院广州能源研究所 The recombinant bacterial strain of a kind of high yield butanol and construction method thereof
KR101440381B1 (en) 2014-01-24 2014-09-18 주식회사현대밸브 Sealing structure of metal seat of butterfly valve
JP6482832B2 (en) 2014-11-20 2019-03-13 株式会社日本触媒 Butanol production method
DK3348638T3 (en) 2015-09-09 2023-02-13 Univ Kobe Nat Univ Corp METHOD OF CONVERTING GENOME SEQUENCE FROM GRAM-POSITIVE BACTERIA BY SPECIFICALLY CONVERTING NUCLEIC ACID BASE INTO THE INTENDED DNA SEQUENCE, AND MOLECULAR COMPLEX USED THEREFOR
JP6940262B2 (en) 2015-09-09 2021-09-22 株式会社日本触媒 Gene-modified Clostridium saccharoperbutylacetonicum species microorganism whose genome sequence has been specifically converted, its production method and its use

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